Brevet FR2209110A1 — publié le 19740628

La présente invention a pour objet un nouveau procédé de mesure du temps de propagation d'un signal électrique, plus particulièrement d'un; signal radioélectrique, entre deux stations distantes pouvant être fixes ou mobiles l'une par rapport à l'autre, et qui seront désignées ci-après comme "la station émettrice" et "la station réceptrice", bien que chacune des deux stations puisse jouer alternativement ou simultanément l'un ou l'autre des rôles émetteur et récepteur. Un tel problème se présente par exemple lorsqu'on veut mesurer, un instant donné, par voie radioélectrique, la distance entre un avion et une station fixe terrestre ou encore entre deux avions. La méthode classique jusqu'ici employée pour la solution de ce pro blème consiste à faire émettre par la station émettrice, à intervalles réguliers, par exemple de 1 milliseconde pour la mesure d'une distance de l'ordre de 100 km, des impulsions extrêmement brèves, ci-après appelées, pour la brièveté du langage, des "tops". Ces impulsions sont émises d des instants définis par une horloge à très haute stabilité (par exemple, une horloge I quartz ayant une stabilité relative de 10 1,-9 ou meme une horloge atomique ayant -11 -13 une stabilité relative de lO 11 à 10 ) qui sera ci-après suppo- sée parfaite. A l'extrémité réceptrice de l'installation se trouve une horloge semblable I la précédente et parfaitement synchronisée avec cette dernière, tant en ce qui concerne la fréquence de répétition des "tops" que leur calage relatif en temps. Il est connu qu'une telle condition est réalisable, soit grâce I la perfection de la construction de chaque horloge, soit au moyen de dispositifs de synchronisation utilisant des signaux transmis "en aller et retour" entre les deux stations. Selon le procédé classique, la station réceptrice comprend donc des moyens de recevoir chaque top émis par la station emet- trice, des moyens de produire localement des tops synchrones de ceux émis par la station émettrice et des moyens ci-après dits "chronométriques" de mesurer l'intervalle de temps s'écoulant entre chacun de ces tops synchrones localement produits et la réception d'un top correspondant émis par la station émettrice. La précision d'un tel procédé est évidemment limitée par celle des moyens chronométriques. Ceux-ci opèrent, de-manière connue, par comptage d'un certain nombre d'impulsions périodiques dérivées de l'horloge locale et ayant une fréquence de répétition beaucoup plus élevée que celle des tops émis. Par exemple, l'horloge locale peut fournir des impulsions " chronométriques "ayant une période de répétition de 100 nanosecondes pour la mesure d'un temps de propagation de l'ordre de 300 microsecondes. Comme on ne peut compter qu'un nombre entier de ces dernières impulsions, l'erreur relative possible sur le temps de propagation mesure sera de 1/3000.Cette erreur peut évidemment être réduite par l'emploi d'impulsions chronométriques à fréquence plus élevée et de moyens de comptage correspondants, mais cela ne peutêtre obtenu que par une augmentation du prix de revient et de la complexité des moyens chronométriques. Or, il est désirable, pour atteindre le plus grand nombre possible d'utilisateurs, que le coût, l'encombrement et le poids de ces derniers moyens soient les plus réduits possibles et qu'ils ne comprennent que des éléments simples pouvant, au besoin, être employés pour d'autres buts pendant les intervalles de temps où l'on ne procède pas I des mesures du type ci-dessus défini. L'objet de la présente invention est donc de permettre la réalisation, à partir d'un équipement chronométrique simple, d'une précision de mesure plus élevée que celle pouvant être atteinte selon la méthode classique. Désignant, dans cette dernière méthode, par F la fréquence de répétition des impulsions chronométriques et par N le nombre de ces impulsions compté pendant la durée T du temps de propagation mesuré, on obtient comme valeur probable de l'intervalle de temps T T = N/F + -1/F (1) 2 avec une erreur absolue possible de +1/2 F (puisque N doit être entier). Cette dernière quantité est ce qu'on appelle l'incrément de mesure et est évidemment liée au degré de perfection des moyens chronométriques. Un procédé connu pour réduire l'erreur en question, sans avoir à augmenter fortement la fréquence F, consiste à répéter la même mesure un grand nombre de fois et I utiliser la réduction statistique de la pa-rtie aléatoire de l'erreur. Ainsi, si l'on effectue un nombre P de mesures successives, l'erreur I = 1/F peut être réduite dans le rapport / si ces mesures sontdécorrdlees entre elles. Selon la présente invention, on se propose de ramener cette erreur l/F à une valeur réduite dans le rapport P, grâce à un choix particulier d'une période de répétition de ces tops présentant avec celle des impulsions chronométriques une relation numérique particulière, qui va être expliquée ci-après. Dans la méthode classique, on émet donc une série de P tops dont la période de répétition T0 est choisie égale à un multiple de 1/F et l'on dispose par ailleurs à la réception d'une série de tops de référence de même période apparaissant aux mêmes instants. Cette période est, bien entendu, choisie en fonction de la grandeur des tempos de propagation que l'on veut mesurer. Ainsi, si l'on veut mesurer des temps de l'ordre d'une fraction dé milliseconde, on pourra prendre la période T0 égale à 1 milliseconde. Si la période 1/F est choisie égale I 100 nanosecondes, on aura donc 4 4 To = 104/F = 10 I (2) et la détermination de T sera faite par le comptage N des impulsions chronométriques apparaissant pendant le temps T, comme cidessus, expliqué. Selon l'invention, on donne au contraire à T0 une valeur différente à l'émission et à la réception, Les deux valeurs étant cependant très voisines. Ainsi, on prendre par exemple pour l'émission T = 104 o F et pour la réception : T'o = 104 + # (3) F F ou le contraire. Les deux trains de tops définissent deux échelles de temps ayant un glissement relatif de /F I chaque top. L'invention prévoit des moyens pour compenser ce glissement toutes les P mesures pour obtenir une valeur moyenne nulle. Dans ces conditions, pendant une série de,P mesures,successives, l'intervalle de temps T' mesure aura une durée qui dépend du rang i de la mesure. T' = T - P# + i# avec i variable de 1 à P. 2F F Il en résulte que T' prend successivement toutes les valeurs possibles entre T P# et T + P# avec un pas égai à #. 2F 2F F L'application des règles habituelles de calcul de probabilité montre que ceci réalise un vernier définissant la position précise du top reçu à l'intérieur de l'intervalle I du chronomètre et permettant d'éliminer l'influence de cet intervalle. Il suffit pour cela que P# # l F F soit encore E 1 Désignant toujours par T le temps de propagation mesuré, on aura, de manière générale T = N + n (5) F F n étant un nombre compris entre 0 et 1. En répétant la mesure P fois, on peut poser n n = p + n' (6) où nO est un nombre entier et n' un nombre inférieur à 1/P. Le moyennage des P résultats, réalisé par addition de ces P résultats suivie de la division par P de la somme obtenue donne maintenant, en négligeant n' n i o T = F (N + 0,5 + p + 0,5 ) à + 2F près. (7) On voit donc que l'erreur maximale admise en négligeant n' est inférieure à 1/2 FP, ce qui est bien le résultat annoncé. Si, par exemple F = 107Hz et P = 100, l'erreur maximale en question sera de 0,5 nanoseconde, ce résultat étant obtenu quel que soit le rang i de la première mesure effectuée, à condition que les P mesures soient successives. Selon la présente invention, il est prévu un système demesure du temps de propagation T d'une station émettrice à une station réceptrice de signaux électriques brefs répétés P fois avec une période de répétition To, dans lequel chacune de ces stations comprend un générateur d'impulsions périodiques d'horloge de fréquence F, les deux générateurs fonctionnant en synchronisme, et dans lequel ledit temps de propagation T est mesuré par comptage, à la station réceptrice, de chacun des P nombres desdites impulsions d'horloge de'fréquence F, pendant chacun des P intervalles de temps respectivement compris entre chacun d'une suite de P instants'de référence de période T'o définis à partir desdites horloges et l'instant correspondant de la suite des P instants d'arrivée desdits signaux brefs de période To I la station réceptrice, la valeur finale dudit temps de propagation étant égale au produit par 1/F de la moyenne arithmétique des P nombres ainsi obtenus ; ledit système étant caractérisé en ce que la période de répétition To desdits signaux et la période de répétition des signaux de référence sont différentes et présentent un écart dont la valeur est choisie égale au produit d'un multiple entier de 1/F par la quantité qui est une quantité petite devant l'unité et choisie au moins égale à 1/P et d'autant plus voisine de cette valeur que la précision finale désirée sur la mesure de T est plus élevée. Selon la présente invention, on prévoit également un dispositif de "remise à zéro" annulant périodiquement l'écart, de façon que, lorsqu'une série de P tels signaux, commençant à un instant de référence défini par l'horloge locale, a été engendrée, l'instant de départ d'une nouvelle série ne puisse etre qu'un nouvel instant de référence défini de la même façon et non l'époque du dernier signal de la série précédente. Le fonctionnement et les avantages du système de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée donnée ci-après d'un exemple de réalisation et à l'examen des dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est un graphique en temps montrant les positions relatives des époques d'arrivée des signaux brefs et des impulsions de comptage, selon l'invention la figure 2 montre schématiquement une réalisation du dispositif d'émission du système de l'invention la figure 3 est un graphique en temps montrant le fonctionnement du dispositif de "remise à zéro" compris dans la figure 2 la figure 4 montre schématiquement une réalisation du dispositif de réception du système de l'invention ;; la figure 5 est un schéma d'une variante de réalisation du dispositif d'émission du système de l'invention la figure 6 est un graphique en temps montrant le fonctionnement du dispositif de la figure 5. Se référant d'abord I la figure 1, on voit en haut de celle-ci, repérées par les chiffres (N-l), N, (N+1), (N+2), les époques des impulsions de comptage successives, séparées entre elles par des intervalles 1/F égaux à 100 ns. Sur chacune des lignes a, b, c, d, e, f, g, h, i, 3, au nombre de 10, sont marquées en A1, A2, A3 A10 les époques d'arrivée à la station réceptrice des signaux brefs reçus de la station émettrice. Pour simplifier, on a donc ici supposé P égal à 10, au lieu de la valeur 100 adoptée dans l'exemple ci-dessus donné. On voit sur cette figure comment le nombre des impulsions comptées entre chacune desdites époques et un instant de référence, situé sur la gauche de la figure, et non représenté sur celle-ci, peut varier de (N-l) à (N+1).Pour cet exemple, on a choisi E = 6 valeur inférieure à la valeur optimale = 1 mais suffisante pour illustrer l'avantage apporté 10 par l'invention. Se référant maintenant à la figure 2, on voit sur celle-ci l'organisation de la station émettrice du système de l'invention. Une horloge 1 émet des impulsions périodiques à la fréquence 10 MHz ou à une fréquence multiple de cette dernière. Par des moyens connus, le synthétiseur de fréquence 2, commandé par l'horloge 1, fournit à sa sortie des impulsions de fréquence égale à F1 = (10 MII- - 10 Hz), c'est-à-dire dont la période T1 est sensiblement égale au produit de 100 ns par (1 + 10 4E) t E étant la quantité ci-dessus définie et ici prise très sensiblement égale à 10 2. Les impulsions de période 1/F1 ainsi produites sont dirigées vers l'une des entrées d'une porte "ET" 3 qui, lorsqu'elle est ouverte, les transmet à l'entrée d'un diviseur de fréquence 4, opérant une division par 104. On obtient ainsi à la sortie 5 du diviseur 4 des impulsions de période T0 égale à 1000,01 microsecondes. Ces impulsions sont dirigées par la connexion 6 (qui peut être, par exemple, un circuit de liaison radioélectrique) vers la station réceptrice, qui sera décrite plus loin en rapport avec la figure 4. La sortie 5 du diviseur 4 est reliée par une connexion 7 à l'entrée d'un compteur 8, dit de remise à zéro. Lorsque ce compteur a compté 100 impulsions émises par 4 (ce qui correspond à P = 100 dans l'exemple numérique ci-dessus donné), sa sortie 9, reliée à la seconde entrée de la porte 3, produit un signal qui bloque celle-ci pendant une durée telle qu'une seule des impulsions du synthétiseur 2 n'atteigne pas le diviseur 4; la porte 3 est alors débloquée, et le système recommence I fonctionner comme précédemment. Se référant maintenant à la figure 3, celle-ci montre en fonction du temps les valeurs successives en nanosecondes du glissement temporel (t) des impulsions issues du diviseur 4 (figure 2) par rapport à des impulsions de référence de période constante égale à 1000 microsecondes. Ce glissement ou retard croit de O à 100 nanosecondes par échelons de 1 ns pour les 100 premières impulsions, retombe à 0 aussitôt après la centième impulsion, 'recommence à croître par échelons de 1 ns de la cenunième impulsion à la deux centième impulsion, et ainsi de suite. Ce résultat est obtenu grâce aux éléments 8 et 3 de la figure 2. Se référant maintenant I la figure 4, celle-ci montre l'organisation d'une, station réceptrice pour le système de l'invention. Le message émis par la station émettrice (figure 2) est reçu par le collecteur de signaux 11 et, de la, dirigé vers l'une des entrées d'un dispositif de contrôle 12 dont t le rôle sera expliqué plus loin. Une horloge .13 fournit des impulsions à 10 MHz et est suivie d'un, diviseur de fréquence 14 dont la sortie délivre des impulsions. de référence espacées de 1 milliseconde. Ces impulsions sont dirigées vers une seconde entrée du dispositif de contrôle 12. D'autre part, un compteur rapide 15 reçoit de l'horloge 13 des impulsions 10 Mz (c'est-à-dire espacées de 100 nanosecondes). Ce compteur est tour a tour mis en route, par une de ses entrées, par les impulsions de période 1 milliseconde délivrées par 14 et arrêté par les impulsions appliquées d une autre de ses entrées par la connexion 16 lui amenant les signaux reçus par ll. Le dispositif de transfert 17 transmet le nombre total des impulsions comptées par w5 S un dispositif I mémoire et permettant la visualisation 18', sur lequel le résultat total du comptage peut être observé par un opérateur. Les signaux reçus par le collecteur 11 sont d'autre part appliqués d un compteur 19, comptant de,0 I 100 et dont l'un des rôles est de débloquer le dispositif de transfert 17 lorsque 100 signaux ont été reçus en 11. D'autre part, le dispositif de contrôle 12, qui possède deux entrées alimentées respectiVement par les signaux reçus par 11 et par.les impulsions de période 1 milli seconde fournies par 14, a pour rôle, par sa sortie reliée l'entrée du dispositif de remise à zéro 20, de remettre zéro les compteurs 15 et 19, lorsqu'aucun signal reçu par 1,1 ne suit une impulsion fournie par 14.D'autre part, lorsque le compteur 19 a compté 100 signaux, le dispositif' de remise I zéro 20 est égale ment actionné par la'connexion 21 entre ce dispositif et ce comp teur 19, et ltensemble de l'installation est de nouveau prêt'à fonctionner. Bien entendu, les réalisations ci-dessus décrites et illus trées par les dessins n'ont nullement un caractère limitatif. Ainsi, par exemple, dans le dispositif d'émission de la figure 2, les impulsions de période T0 pourraient être obtenues, à partir de l'horloge 1 de fréquence 10 MHz, par un diviseur de fréquence par 104 suivi d'une ligne de retard à 100 prises fournissant des retards de 1 ns entre prises consécutives, chacune de ces prises étant associée à un commutateur approprié les reliant successivement à l'entrée de la porte 3. Une telle solution, bien qu'apparemment peu pratique dans l'état actuel de la technique, n'est pas cependant à exclure a priori si cet état vient à se modifier. De même, on peut obtenir les impulsions de période T0 par le dispositif de la figure 5, remplaçant celui de la figure 2 précédemment décrit. Une horloge 22 émet I la fréquence de 10 MHz des impulsions périodiques qui sont transmises à un diviseur de fréquence 23 opérant une division par M, et à la sortie duquel on obtient des impulsions d'amplitude connue et espacees de T1 ~ M comme repré F sentées en A du graphique de la figure 6, par exemple F = 107Hz M = 104 T1 = 1 s5 Le générateur 24 sous la dépendance de l'horloge 22 engendre un PM signal en dents de scie de période F representé en B, figure 6. Les signaux issus de 23 et de 24 sont dirigés vers l'additionneur de tension 25 I la sortie duquel on obtient les signaux repré sentés en C sur la figure 6, sur laquelle on-a accentué la représentation du temps de montée. Les signaux de sortie de l'additionneur 25 sont dirigés vers l'entrée d'un dispositif à seuil 26 qui ne laisse passer vers sa sortie que les signaux dont l'amplitude est supérieure I un niveau prédéterminé figuré en S sur la figure 6. La sortie du seuil 26 est reliée à l'entrée d'un générateur d'impulsions 27 qui produit à sa sortie 28 des impul sions brèves aux instants d'apparition du front avant des impul sions traversant le seuil 26.Comme dans le caS de la figure 2, les impulsions sont acheminées vers la station réceptrice par la connexion 28. La figure 6 montre que l'instant d'apparition' des impulsions sur la connexion 28 dépend de l'amplitude des signaux en dent de scie du générateur 24. Cette amplitude est choisie pour que le glissement temporel des impulsions présentes sur la connexion 28 soit compris entre Pe et + 2F et Dans les deux variantes décrites de l'invention, on a suppose que les moyens de produire des impulsions ayant un glissement relatif de F sont disposés à la station d'émission, mais il est F évident qu'on ne sort pas du cadre de l'invention si ces moyens sont situés à la station de réception et intéressent les signaux de référence. En outre, l'invention s'applique également si l'intervalle de temps a mesurer a pour origine un phénomène autre qu'un temps de propagation comme par exemple pour la mesure du décalage temporel entre un train de signaux électriques répétitifs et un train de signaux électriques de référence, les deux trains étant engendrés à partir d'horloges fonctionnant à la même fréquence. REVENDICATIONS 1.- Système de mesure du temps de propagation T-d'une station émettrice à une station réceptrice de signaux électriques brefs répétés P fois avec une période de répétition Tot dans lequel chacune de ces stations comprend un générateur d'impulsions pérjodi- ques d'horloge de fréquence F, les deux générateurs fonctionnant en synchronisme, et dans lequel ledit temps de propagation T est mesuré par comptage, à la station réceptrice, de chacun des P nombres desdites impulsions d'horloge de fréquence F produites pendant chacun des P intervalles de temps respectivement compris entre chacun d'une suite de P instants de référence définis à partir desdites impulsions d'horloge et l'instant correspondant de la suite des P instants d'arrivée desdits signaux brefs à la station réceptrice, la valeur finale dudit temps de propagation étant prise égale au produit par 1/F de la moyenne arithmétique des P nombres ainsi obtenus, ledit système étant caractérise en ce que la période de répétition T0 desdits signaux et la période de répétition des signaux de référence sont différentes et présentent un écart dont la valeur est choisie égale au produit d'un multiple entier de 1/F par la quantité E qui est une quantité petite devant l'unité et choisie au moins égale à 1/P et d'autant plus voisine de cette valeur que la précision finale désirée sur la mesure de T est plus élevée. 2.- Système selon la revendication 1, dans lequel est prévu, un dispositif de remise à zéro" des signaux brefs émis ou des signaux de référence, de façon que, lorsqu'une série de P tels signaux commençant à un instant de référence défini par l'horloge locale a été engendrée, l'instant de départ d'une nouvelle série ne puisse être qu'un nouvel instant de référence défini de la même façon, et non l'époque du dernier signal de la série précedente. 3.- Système selon la revendication 1, dans lequel, à la station émettrice, lesdites impulsions de période To sont produites à partir du générateur d'impulsions d'horloge de ladite station émettrice suivi d'un synthétiseur de fréquence. 4.- Système selon la revendication 1, dans lequel la station réceptrice comprend, d'une part un premier compteur comptant des impulsions de période 1/F obtenues à partir de l'horloge locale et, d'autre part, un second compteur comptant lesdits signaux brefs et revenant à zéro lorsque le comptage atteint la valeur P, en même temps que ce second compteur cause l'arrêt dudit premier compteur. 5.- Système selon la revendication 4, dans lequel ledit second compteur, lorsqu'il a compté P signaux, rend actif un circuit de, transfert transmettant le comptage dudit premier compteur à un organe à mémoire et à visualisation affichant ledit comptage. 6.- Système selon la revendication 1, dans lequel à la station émettrice lesdites impulsions de période T0 sont produites à partir du générateur d'impulsions d'horloge de ladite station commandant simultanément un diviseur de fréquence et un générateur de signal en dents de scie suivi d'un -additionneur de tension et comprenant des moyens pour retarder les impulsions produites par le diviseur d'une valeur proportionnelle à la tension fournie par le générateur en dents de scie.