Brevet FR2261540A1 — publié le 19750912

L'invention a pour objet un procédé et une installation pour la localisation d'avions. I1 est souhaité pouvoir, à un aérodrome, localiser les avions volant autour de l'aérodrome, jusqu'à une distance qui peut aller à la centaine de km. Le procédé selon l'invention fait appel à une émission radioélectrique d'un avion, qui peut etre d'un type quelconque, et à la réception de cette émission, à l'aérodrome, par un dispositif d'antenne à déplacement bidimensionnel, le signal capté par ledit dispositif à partir de l'avion ayant une modulation de phase qui dépend de l'emplacement de l'avion par rapport audit dispositif d'antenne. L'invention prévoit un traitement du signal capté qui aboutit à une visualisation définissant pour le desservant à l'aérodrome la position de l'avion dont ltémission a été captée et traitée. La description qui suit, faite à titre d'exemple, se réfère au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue schématique d'un équipement d'aérodrome avec un avion approchant; la figure 2 est une vue d'un dispositif d'antenne; la figure 3 est une vue schématique de l'appareil équipant l'aérodrome, les figures 4a, 4b, 4c sont des diagrammes. Un aérodrome est équipé d'un émetteur Il (figure I) dont l'antenne 12 rayonne une énergie haute fréquence. Un avion 13 volant à l'entour de l'aérodrome, à une distance qui peut aller jusqu'à la centaine de km, dispose d'un récepteur-émetteur 14 qui, sur un signal d1 interrogation de l'aérodrome capté par l'antenne 15 de l'avion, émet des impulsions de réponse haute fréquence par une antenne 16, lesquelles sont captées à l'aérodrome par une antenne 17. Les antennes 12 et 17 peuvent être confondues ainsi que les antennes 15 et 16. Par exemple, l'avion émet, en réponse, des impulsions d'une durée de l'ordre de la micro-seconde avec une période de répétition de l'ordre de 1 à 10 kHz, la fréquence porteuse étant de l'ordre du gigahertz. La réponse de l'avion est fournie après un retard fixe par rapport à la réception de l'impulsion d'interrogation. La fréquence porteuse de l'avion est décalée par rapport à la fréquence porteuse de 1' interrogation. Chaque avion s'approchant de l'aérodrome est muni d'un récepteur-émetteur et les fréquences porteuses des impulsions de réponse de divers avions approchant d'un aérodrome sont voisines. L'aérodrome est également équipé d'un dispositif d'antenne 21 (figure 2) qui comprend un bras 22 monté en son centre 23 à rotation autour d'un axe 24. Le bras 22 est porté par un arbre 25 qui est entraîné dans un mouvement de rotation uniforme autour de son axe 24 par un moteur 26. Dans l'exemple décrit, l'axe de rotation 24 est vertical et ainsi le plan de rotation du bras 22 est hori- zontal, mais ces directions peuvent être différentes. L'aérodrome est équipé d'un ou plusieurs tels dispositifs d'antennes. L'arbre 22 porte à une extrémité une première antenne 27 et à l'extrémité opposée une seconde antenne 28. Les antennes 27 et 28 sont avantageusement à effet directif. Elles sont montées sur l'arbre 22 par l'intermédiaire de moyens qui leur permettent, malgré la rotation de l'arbre 22, de capter des signaux en provenance d'un secteur angulaire prédéterminé. Le signal reçu par une antenne, par exemple l'antenne 27, à partir d'un avion est de la forme Dans cette formule a est une amplitude; t est le temps; est la fréquence de l'énergie rayonnée par l'antenne 16 de l'avion; r est la longueur du trajet parcouru par l'énergie rayonnante depuis l'antenne 16 jusqu'au centre de rotation du dispo sitif d'antenne 21; c est la vitesse de la lumière; est es un angle par rapport à une référence de phase; (t) est donné par la formule (t) = XR cOsO.cOs(Qt-e) (2) Dans cette formule R est la longueur du rayon de rotation de l'antenne 27 X est la longueur d'onde correspondant a la fréquence # ; # est l'angle de site ou d'élévation de l'avion par rapport au plan de rotation du bras du dispositif d'antenne Q est la vitesse angulaire de rotation du bras 22 8 est l'azimut de l'avion par rapport à une direction de référence passant par le centre 23, par exemple le nord géographique. Pour l'antenne 28, le signal reçu est de la forme #2 est une phase par rapport à une référence. L'inversion des signes précédents f(t) correspond à la position diamétralement opposée des antennes 27 et 28 sur le bras 22. Les signaux captés par les antennes 27 et 28 respectivement sont appliqués par des conducteurs 31 et 32 (figure 3) à des préamplificateurs 33 et 34 portés par le bras 22. Celui-ci porte également des oscillateurs locaux 25 et 36 de fréquences respec tives 1 et oe 2 et dont les phases par rapport à une origine sont respectivement '1 et '2 Les signaux issus du changeur 37 traversent un filtre passe-bande 39 centré autour de la fréquence différence et, de même, les signaux issus du mélangeur 38 traversent un filtre passe-bande 41 centré autour de la fréquence différence. Les sorties 42 et 43 des filtres 39 et 41 sont appliqués en commun à l'entrée 44 d'un amplificateur moyenne fréquence 45. Les signaux amplifiés résultant du mélange de ceux ayant traversé les filtres 39 et 41 sont appliqués en commun par la sortie 46 de l'amplificateur moyenne fréquence 45 à un élément quadratique,par exemple une diode 47, qui en fait le produit. Les signaux résultants traversent un filtre 49 centré autour de : #1 - #2 = #' et dont la bande passante a une largeur suffisante pour tenir compte de l'excursion maximale de la modulation de phase provenant de l'une et l'autre des antennes 27 et 28 et aussi du spectre d'amplitude résultant du caractère impulsionnel des signaux reçus. Si par exemple on choisit pour w1 et 2 des valeurs telles que: w 1-w 2= 2 MHz le filtre 49 est centré autour de 2MHz et sa bande passante est de 1 MHz. La sortie 51 du filtre 49 est reliée à une bague conductrice 52 tournant avec 1 'arbre 25 et avec ladite bague coopère un frotteur 53 qui est à l'extrémité d'un conducteur 54 faisant partie de I'ensemble non-tournant. Le signal présent sur le conducteur 54, résultant de la détection quadratique effectuée par l'élément 47 et du filtrage par le filtre 49, est un signal s (t) de la forme L'indice i correspond à un trajet i pour prévoir le cas où l'énergie rayonnante émise par l'avion parvient au dispositif d'antennes suivant une multiplicité de trajets, la transmission étant alors "multi-trajets". Les sorties 55 et 56 des oscillateurs locaux.35 et 36 sont appliquées à un changeur de fréquence 57 dont la sortie 58 est appliquée à un filtre 59 à bande de passage étroite centrée autour de la fréquence '. Le filtre 59 est relié par un conducteur 61 à une bague 62 faisant partie de l'arbre tournant 25 et avec laquelle coopère un frotteur 63.Le signal r (t) présent sur le conducteur 64 relié au frotteur 63 est de la forme : r(t) = cos (w't + ') (5) Les signaux s(t) et r(t) sont multipliés dans un élément nonlinéaire 65 comme une diode dont la sortie 66 est reliée à un filtre passe-bas 67 qui en élimine l'harmonique 2w'. Le signal à la sortie 68 du filtre passe-bas 67 est de la forme Le filtre 67 ayant éliminé la fréquence porteuse 2x', le signal S (t) est un signal modulé en phase à fréquence porteuse nulle. Après traversée d'un dispositif de porte 69 commandé à partir d'une entrée 71, le signal S(t) est appliqué par un conducteur 72 à un amplificateur 73 comprenant un dispositif de contrôle de gain 74 grace auquel le signal présent à la sortie de l'amplificateur 73 a une valeur moyenne de crête constante autour d'une valeur continue choisie. Le courant amplifié présent à la sortie 77 de l'amplificateur 73 sert à l'alimentation d'une diode électro-luminescente 78 fournissant une intensité lumineuse proportionnelle à l'intensité du courant d'alimentation. Par l'intervention du dispositif 74, la tension appliquée à la diode 78 n'est jamais négative et le niveau continu n'est pas trop élevé devant la valeur quadratique moyenne du signal. La diode électro-luminescente 78 est placée au foyer d'une lentille 79 qui fournit un faisceau de rayons parallèles 81 dirigé vers un disque 82 monté à rotation autour d'un axe 83. Le disque 82 est un disque à transparence variable suivant une direction schématisée par la flèche x et au contraire à transparence constante dans la direction perpendiculaire schématisée par la flèche y. I1 présente ainsi une succession de "raies" parallèles. Le disque 82 peut etre obtenu à partir de franges d'inter férence d'une lumière monochromatique.La loi de transparence du disque 82 s'écrit Dans cette formule pO et e0 sont les coordonnées polaires d'un point du disque A est la longueur d'onde spatiale correspondant à la loi sinusoidale de transparence n est la vitesse angulaire du disque égale à la vitesse an gulaire du bras 22 en raison de la liaison mécanique 84 établie entre l'arbre 25 et l'arbre 83 porteur du disque 82. Si I est l'intensité lumineuse fournie par la diode électroluminescente 78 et X la quantité de lumière provenant de laditesource mais après traversée du disque 82, on a X = I.T' (8) Or : I = l+S(t) (9) Cette formule donne la quantité de lumière presente en un point de l'espace situé à l'aval du disque 82 et de coordonnées polaires Po, 60- La lumière du faisceau 85 transmise par le-disque est projetée par un dispositif d'optique 86 sur un organe détecteurintégrateur comme schématisé par un vidicon 87. Le vidicon est relié à un dispositif de visualisation du type oscilloscope 88 à écran 89. Le produit des deux bin8mes de la formule (10) est la somme de quatre facteurs qui sont écrits successivement ci-dessous 1) 1 (11) Lors de l'-intégration réalisée par l'intégrateur 87, pendant un temps s écoulant depuis (t-T) jusqu'S t 1) l'intégration du facteur "1" donne T; 2) l'intégration du second facteur conduit à un résultat nul parce que c'est l'intégration d'un signal sinusoïdal dont la valeur est nulle; 3) il en est de même pour l'intégration du troisième facteur auquel correspond la superposition de sinusoides dont la valeur moyenne est nulle; 4) le résultat de l'intégration est donc : En posant : 2##0 #0(t) = cos(#t - #0) (16) A la formule (15) peut s'écrire par décomposition :: La position du point du disque 85 déterminée par p0 et e0 pour lequel la rotation du disque éclairé par la lumière issue de la diode électro-luminescente 78 sera dépourvue ou pratiquement dépourvue de modulation temporelle, est celle pour laquelle pO et 80 seront les solutions de l'une ou l'autre des deux groupes d'équations suivants: C'est seulement en le point de coordonnées polaires p01 e0 et en le point de coordonnées polaires pg,(80+x) que la variation de la transparence du disque suit la variation du flux, traduisant la corrélation, alors qu'en tout autre point il n'en est pas ainsi.Le disque 82 offre ainsi une infinité de valeurs de modulation par rapport auxquelles il est possible d'effectuer une corrélation des modulations de phase des signaux reçus, après traitement. Pour la solution correspondant à l'équation (18), l'inten sité de l'image visible sur l'écran 89 pour un temps d'intégration de T aura une valeur donnée par la formule Celle-ci peut s'écrire Ou bien, en appelant W la valeur de l'intégrale, qui repré. sente l'énergie du signal pendant le temps T, on a bien entendu à un facteur près J(p0,#0)= T+1/2 cos(#1-#2-#0)W (22) Pour l' autre solution, correspondant à la formule (19), la valeur correspondante est : J(#0,#0O+#) = T + 1/2 cos (#1 - #2 + #0)W (23) La visualisation est donc réalisée quelle que soit la nature du signal émis par l'avion, que ce soit un signal non modulé ou un signal modulé, y compris un signal à impulsions, la seule condition à respecter étant que le nombre d'impulsions émises par l'avion pendant la durée d'un tour du bras du dispositif d'antenne sit suffisante pour que l'intégration se fasse correctement. L'ambiguité est levée au profit de la visualisation correspondant au signal de la formule (22) en rendant celui-ci maximal tandis que l'autre est minimal en choisissant #1, #2 et #0 de manière que soit respecté cos (#1 - #2 - #0) = 1 (24) c'est-à-dire : #1 - #2 - #0 = 0 (25) ou bien : #0 = #1 - #2 (26) La condition relative à la minimalisation du second signal s'écrit cos (#1 - #2 + #0) = 0 (27) c'est-à-dire : #1 - #2 + #0 = #/2 (28) On en tire : 2 = 2 soit : #0 = #/4 (29) d'où : #1 - #2 = #/4 (30) La condition (30) est remplie en donnant à un bras issu d'une antenne une longueur radio-électrique plus grande que celle du bras issu de 1 'autre antenne. Le calage du disque 82 sur:lJarbre 83 est tel que la direction des "raies parallèles" est perpendiculaire à la direction du bras tournant du dispositif d'antenne lorsque celui-ci est dirigé suivant la direction du nord géographique. La condition (29) est remplie en positionnant convenablement l'axe de rotation 8) par rapport aux franges portées par le disque 82. L'appareil ainsi ajusté peut fonctionner convenablement avec des antennes 27 et 28 omni-directionnelles. Il permet de visualiser à l'aérodrome sur ltécran 89 les avions dont les émissions sont reçues par le dispositif d'antenne à antennes tournantes 27 et 28. L'appareil permet également d'effectuer une sélection parmi ces avions. Le dispositif de porte 69 reçoit les signaux fournis par une horloge 101 qui commande les impulsions appliquées par émetteur 11 à l'antenne 12. Ces impulsions d'interrogation ont été représentées sur la figure ta. Les impulsions de réponse captées au récepteur d'aérodrome sont, pour un avion "1", montrées par les traits épais, et pour un avion 2, plus éloigné, montrées par les doubles traits fins. L'intervalle entre l'impulsion d'interrogation et une réponse comprend le temps d'aller-retour auquel s'ajoute un retard systématique introduit par l'équipement de l'avion et propre à celuici. Lorsque, par le dispositif de porte 69, la porte est ouverte pendant les temps schématisés par les créneaux de la figure 4c, centrés sur un temps T après l'impulsion dtinterrogation, seuls sont traités les signaux qui parviennent de l'avion 1, la période de répétition des portes étant égale à la période des impulsions d'interrogation. Si la porte 69 s'ouvre, comme montré en trait pointillé, après un temps centré sur Tt, seuls sont reçus les signaux provenant de l'avion 2, à l'exclusion de ceux provenant de l'avion "1". L'aérodrome peut ainsi prendre en charge le ou les avions dont les distances à l'aérodrome sont comprises entre deux valeurs prédéterminées. En laissant la porte 69 constamment ouverte, on obtient sur l'écran 89 la visualisation de tous les avions au voisinage de l'aérodrome, jusqu'à une distance correspondant à la portée des transmissions, éventuellement dans un secteur angulaire déterminé. L'appareil permet de déterminer pour chaque avion son azimut e et son angle d'élévation . Ces informations sont transmises par l'aérodrome à l'avion intéressé, par exemple par l'intermédiaire du système connu sous le nom de "Data Link". Dans une autre forme de réalisation, les signaux issus des antennes 27 et 28 sont additionnés dans un mélangeur. Ils sont ensuite amplifiés par un amplificateur. Le signal présent à la sortie de l'amplificateur subit une opération non-linéaire, ce qui fait apparattre, dans le cas d'un dispositif d'antenne comprenant une antenne au centre et une seule antenne tournante, un signal du type ci-après a cos [#1 - #2 + # (t)] (31) Dans le cas où le dispositif d'antenne au sol comprend deux antennes tournantes de rayon R1 et R2, avec éventuellement R1= -R2 comme dans le dispositif d'antenne montré sur la figure, le signal présent est de la forme :: a cos [#1 - #2 + #1 (t) - #2 (t)] (32) Dans le cas d'un dispositif d'antenne comprenant une antenne fixe numérotée 2, et deux antennes mobiles diamétralement opposées numérotées respectivement 1 et 3 et à des distances différentes de l'axe de rotation, les signaux obtenus sont de la forme s1 = a cos [#1 - #2 + #1 (t)] s2 = a cos [#3 - #2 + #3 (t)] (33) s3 = a cos [#3 - #1 + #3(t) - #(t)] dans le cas où les signaux captés par les antennes I et 2 sont d'abord mélangés suivant le signal sl, les signaux captés par les antennes 2 et 3 sont mélangés suivant le signal s2 et les signaux résultant du mélange sont mélangés entre eux suivant le signal s3. L'invention vise une autre forme de réalisation suivant laquelle les impulsions d'interrogation sont émises par chacun des avions, chacun des avions possédant un code qui lui est particulier. L'installation d'aérodrome comprend un récepteur et ce récepteur est propre à déclencher une émission de réponse et cela par un dispositif d'antenne du type décrit ci-dessus. En conséquence, à réception des diverses impulsions d'interrogation, le dispositif d'antenne de l'aérodrome émet des impulsions et ces impulsions sont modulées en phase par la rotation de l'antenne. Chacun des avions comprend un dispositif de porte, lequel ne s'ouvre que pour la réception des signaux émis par l'antenne rotative qui correspondent au code propre à avion. Les signaux modulés en phase reçus par l'avion, et qui sont ceux qui répondent à son interrogation, sont traités par un dispositif identique à celui qui a été décrit ci-dessus, c'est-à-dire comportant des pré-amplificateurs, des mélangeurs et un dispositif modulateur-corrélateur suivi d'un intégrateur. Il apparat sur l'écran de l'oscilloscope que comporte l'avion la visualisation de l'antenne rotative du sol à partir de laquelle il peut déterminer des facteurs angulaires de positionnement par rapport à ladite antenne. La distance est obtenue par le décalage temporel entre l'émission d'interrogation de l'avion et la réception des signaux de réponse à modulation de phase portant le code d'identification émis par l'avion. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la localisation d'avions autour d'un aérodrome par transmission de signaux radio-électriques, caractérisé en ce qu'une émission d'avion est captée par un dispositif d'antenne d'aérodrome à mouvement de rotation et en ce que le signal reçu, modulé en phase par la rotation et en fonction de la position de l'avion émetteur, est traité pour mettre en évidence des facteurs de positionnement de l'avion. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement comprend une corrélation par des modulations suivant une loi analogue à celle des signaux captés. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la corrélation est suivie d'une intégration. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'antenne comprend deux antennes portées aux extrémités d'un bras monté à rotation autour d'un axe central. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les signaux captés par l'une et l'autre des antennes sont mélangés avec des oscillations fournies par deux oscillateurs locaux et, après amplification commune, font l'objet d'une détection quadratique. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la détection est suivie d'un filtrage. 7.- Procédé elon la revendication 6, caractérisé en ce que les signaux filtrés sont multipliés avec des signaux fournis par le mélange des oscillations locales et filtration. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les signaux résultant de la multiplication traversent un filtre passe-bas, les signaux filtrés étant des signaux modulés en phase à fréquence porteuse nulle. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits signaux servent à l'alimentation d'une diode électroluminescente ou analogue éclairant un modulateur de lumière dont la loi de transmission est analogue aux modulations de phase des signaux à traiter. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la lumière transmise par le modulateur est acheminée vers un intégrateur. il.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le mouvement du modulateur est synchrone de celui du bras portant les antennes. 12.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon lrun quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend, à un aérodrome, au moins un dispositif à deux antennes de captation mobiles suivant-un mouvement circulaire uniforme, des oscillateurs locaux pour le changement de fréquence des signaux captés par lesdites antennes, et également pour constituer des signaux de référence avec des moyens de multiplication desdits signaux de référence avec les signaux captés changés en fréquence, des moyens de filtre passe-bas à la suite des moyens de multiplication, une source de lumière alimentée à partir desdits signaux filtrés après amplification de ceux-ci, un disque rotatif introduisant une loi de transmission de lumière à variation sinusoîdale perpendiculairement à une direction, le disque étant entraidé suivant un mouvement circulaire synchrone de celui des antennes, et un intégrateur de lumière du type vidicon recevant le flux lumineux transmis par le disque. 13.- Installation selon la revendication 12, dans laquelle les signaux émis par un avion sont des impulsions de réponse à des impulsions d'interrogation émises par un aérodrome, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de porte électronique commandée à partir de l'horloge commandant les impulsions d'interrogation pour sélectionner parmi les signaux de réponse reçus ceux qui correspondent à des avions compris entre deux distances prédéterminées à partir de l'aérodrome. 14.- Procédé pour la localisation d'avions autour d'un aérodrome par transmission de signaux radio-électriques, caractérisé en ce qu'à une émission d'avion, un dispositif d'antenne d'aérodrome fournit une réponse modulée en phase par l'intervention d'un dispositif d'antenne à mouvement de rotation et fonction de la position de l'avion émetteur et en ce que sur l'avion les signaux reçus modulés en phase sont traités pour mettre en évidence ces facteurs de positionnement présents dans la modulation. 15.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'émission de l'avion est codée et en ce que l'avion comprend des moyens pour recevoir seulement les signaux correspondant à sa propre interrogation. 16.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'avion comprend des moyens pour déterminer sa distance par rapport au dispositif d'antenne d'aérodrome. 17.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 14 à 16 ci-dessus. 18.- Installation selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'avion comprend des moyens de modulation, de corrélation et d'intégration pour tirer des signaux modulés en Phase qu'il reçoit des informations sur son positionnement par rapport à l'aérodrome.