Brevet FR2261538A1 — publié le 19750912

L'invention a pour objet un système de navigation aérienne. Les systemes radio-électriques de navigation aérienne connus doivent, pour être efficaces, faire appel à des émetteurs de puissance élevée. D'autre part, ils ont une précision qui n'est pas toujours suffisante. Le système selon l'invention fait appel à la modulation de phase qui est introduite par la mobilité d'un-aérien au sol et qui, mise en évidence sur l'avion par un traitement des signaux que reçoit celui-ci, permet la détermination d'au moins une coordonnas angulaire par rapport à l'aérien de chaque émetteur, de sorte qu'il est possible à l'avion, par réception simultanée de plusieurs émetteurs, de localiser sa position sur le territoire. Suivant l'invention, on répartit sur le territoire au-dessus duquel la navigation aérienne doit être assurée, des balises dont chacune comprend deux antennes avantageusement omni-directionnelles portées aux extrémités d'un bras tournant à vitesse uniforme et qui sont reliées à un émetteur hyper-fréquence, de puissance relativement faible, et chaque avion comprend des moyens pour localiser sa position par rapport aux balises dont il reçoit les signaux par mise en évidence de la modulation de phase des signaux reçus qui, pour les signaux de chaque balise, est fonction de la position de l'avion par rapport à ladite balise. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue très schématique d'un territoire équipé suivant l'invention; la figure 2 est une vue très schématique d'un appareil porté par un avion; la figure 3 est une vue schématique d'un écran d'oscilloscope. Un territoire au-dessus duquel une navigation aérienne est à assurer comprend, répartis à des distances l'un de l'autre qui peuvent être de l'ordre de 150 km, des postes émetteurs ll 11' ll", etc. ou balises. Chaque poste émetteur comprend un dispositif d'antenne 12 constitué par deux antennes, par exemple des antennes quart-d'onde cmri-dixectionnelles 13 et 14 portées aux extrémités d'un bras 15 monté à rotation par son centre 16 autour d'un axe vertical 17 Un gSnérateur hyperfréquence 18, dont la puissance est de l'ordre du wett ou de la dizaine de watt, est relié aux antennes 13 et 14 par l'intermédiaire d'un joint tournant 19 et d'un découpleur directif 21 qui répartit également la puissance entre les antennes 13 et 14. Le bras 15 est mis en rotation par un moteur 22. Le fonctionnement de chacun des moteurs 22, 22!, 22", etc. des dispositifs d'antennes il, 112, 11", est sous la dépendance d'un dispositif de synchronisation 23, de sorte que les bras 15, 15', 15", etc. tournent uniformément à la mble vitesse et restent constamment parallèles. Les fréquences des générateurs 18, 18', 18", de l'ordre du gigahertz ou de la dizaine de GHz, peuvent etre égales entre elles ou voisines l'une de l'autre. La puissance de chaque émetteur varie avantageusement suivant une loi prédéterminée, un rythme d'émission étant ainsi caracté-ristique d'une balise, comme dans certaines balises lumineuses marines. La vitesse de rotation des bras peut être relativement lente, de tordre de quelques tours par seconde. La longueur des bras peut être de plusieurs mètres. Le signal appliqué par une antenne est de la forme : a cos(#t + #L) (1) Le signal appliqué par l'antenne diamétralement opposée est de la forme a cos(ot + 2) (2) Dans ces formules : a est une amplitude; oe est la pulsation correspondant a la fréquence émise par l'antenne; t est le temps, #1 est une phase par rapport à l'origine; #2 est une autre phase. L'avion A comprend un récepteur et le signal capté par l'antenne ou aérien de l'avion A, en correspondance de la première antenne ci-dessus est de la forme Le signal provenant de l'énergie rayonnée par la deuxième antenne et capté par l'aérien de l'avion est de la forme Dans ces formules a est une amplitude; # est la pulsation de l'énergie appliquée aux antennes 13 et 14; t est le temps; r est la distance du centre de phase de l'antenne de réception de l'avion au centre 15 du dispositif antenne 11; est un indice affecté à un trajet i parmi la multiplicité de trajets que peut suivre l'énergie rayonnante pour aller du dispositif d'antenne à l'avion. #1 est donnée par la formule ci-après : 2 # R #1 = cos #i cos (#t - @i) # Dans cette dernière formule R est le rayon de rotation des antennes; X est la longueur d'onde correspondant à la pulsation # ; # est l'angle d'élévation ou de site de l'avion, vu du centre 15; n est la vitesse de rotation du bras 15; e est l'angle d'azimut, ctest-à-dire l'angle que fait le plain vertical passant par l'avion et le centre 15 avec le nord géograplique. Le récepteur à bord de l'avion a une bande de réception suffisamment large pour recevoir les signaux émis par plusieurs dispositifs d'antennes répartis sur le territoire et dont les fréquences porteuses sont égales ou voisines. Les signaux reçus par l'antenne 34 du récepteur à bord de l'avion sont de la forme : pour les signaux en provenance du dispositif d'antenne ceux en provenance de l'antenne 11' sont de la forme ceux en provenance de l'antenne 11" sont de la forme L'ensemble des signaux est appliqué à l'entrée 33 d'un changeur de fréquence recevant d'autre part des oscillations fournies par 1'oscillateur local 35 de pulsation '. Le changeur de fréquence 32 est suivi par un amplificateur moyenne fréquence. Celui-ci est suivi d'un dispositif de détection 31, lui-mEme suivi d'un filtre passe-bas 37. A la sortie 38 dudit filtre est présent un signal basse-fréquence S2 (t) de la forme : Chaque dispositif d'antenne comprenant deux antennes diamé- tralement opposées, on a R1 = R2 d'où #1 = - #2 = # De même, comme R'1 = R'2, on a #'1 = - #'2 = #' . Les longueurs radio-électriques du coupleur directif 21 sont choisies pour que #1 = #2 = #'1 - #'2 = #"1 - #"2 = ... = # On a donc : En choisissant les fréquences des générateurs 18, 18', 18", etc. suffisamment proches l'une de l'autre, le signal issu du changeur de fréquence 32, dont l1entrée 33 est reliée à l'antenne 34~ de l'avion et reliée d'autre part à un oscillateur local 35, est contenu dans un intervalle de fréquence suffisamment étroit pour pouvoir être isolé par un filtre dont la bande de passage est de l'ordre de quelques kilohertz, par exemple 5 kHz. Un bon fonctionnement est assuré avec une précision des fréquences des générateurs 18 de l'ordure de 10 7. Le signal 2 S2(t) sert à l'alimentation électrique d'une diode électro-luminescente 41. Le faisceau fourni par celle-ci traverse un disque 42 dont la loi de transparence suivant une direction 43 répond à la formule La transmission du disque 42 est uniforme suivant une direction 44 perpendiculaire à la direction 43. Un tel disque est obtenu par reproduction photographique de franges d'interférences fournies par une lumière monochromatique. Le disque 42 est calé sur un arbre 45 entraîné par un moteur 46 à la même vitesse Q que les antennes des dispositifs d'antennes Il. Dans la formule (11) ci-dessus : est une phase par rapport à une origine; A est la longueur d'onde spatiale des franges d'interférence; pO , 60 sont les coordonnées polaires d'un point du disque. Par ajustement au sol, on choisit v1 - ç2 4 Par réglage de l'intersection de l'axe 45 avec les franges que porte le disque 42, on obtient : #0 = #/4 Le faisceau doublement modulé ayant traversé le disque 42 tombe sur l'écran 51 d'un vidicon qui joue le rôle d'intégrateur. I1 apparaît sur l'écran des points brillants entourés de cercles concentriques qui sont les vinages des stations d'émission 11, 11', ll" et qui permettent à l'équipage de l'avion de déterminer sa position. Le disque 42 effectue la corrélation entre les modulations de phase des signaux S2 (t) traduites par l'intensité lumineuse de la diode électroluminescente 41 et les modulations qu'introduit la loi de transparence dudit disque. Par l'intégration, on ne retient que les modulations correspondant à des trajets réels entre les balises et l'avion, que ces trajets soient directs ou résultent d'une réflexion sur un obstacle. Les composantes de modulation de phases correspondant à des trajets différents sont éliminées. L'image sur l'écran du vidicon est comme schématisée sur la figure 3. Elle fournit tous les éléments nécessaires à la trajectographie, donnant notamment les angles d'azimut sous lesquels sont vues les différentes balises. La modulation d'amplitude des émissions des balises permet d'identifier les images sur 1 1écran. A partir desdites images, il est possible, par des constructions géométriques (arc capable), de localiser la position de 11avion sur l'écran. Comme les emplacements géographiques des balises sont connus, il en résulte la détermination de la direction du nord géographique. I1 est alors possible de commander le moteur d'entraînement du disque 42 par exemple à l'aide d'un déphaseur ajustable, pour que la direction origine sur l'écran de l'oscilloscope lié au vif- con coïncide avec le nord géographique.Dans cette condition, la rotation du disque 42 est non seulement isochrone avec celle des bras porteurs des antennes, mais elle est synchrone avec celle-ci. L'invention se combine alors avantageusement avec un système d'aide à l'atterrissage comprenant, sur les aérodromes, des dispositifs d'antennes comprenant des antennes portées par des bras tournants et rayonnant des énergies hyperfréquence distinctes par sane valeur basse-fréquence de l'hyperfréquence émise par une autre antenne et obtenues à partir d'une ou plusieurs bases fréquences de référence contrôlant également le mouvement des bras tournants. La reconstitution des fréquences de référence sur l'avion est alors immédiate à partir de l'arbre du moteur entraînant le disque modulateur et dont le mouvement est synchrone de celui des bras des antennes d'aérodrome. Les dispositifs d'antennes des aérodromes destinés à faciliter l'atterrissage tournent à la meme vitesse que les dispositifs d'antennes utilisés pour la navigation ou à une vitesse qui en est un multiple entier. REVENDICATIONS 1,- Procédé de navigation au-dessus d'un territoire, caractérisé en ce qu'on répartit sur le territoire des dispositifs d'antennes à bras tournants ou balises émettant des hyper-fréquences de même valeur ou de valeurs voisines et l'avion se localise par rapport à plusieurs de ces balises à partir des modulations de phase des signaux reçus de celles-ci. 2.- Installation pour faciliter la navigation d'avions audessus d'un territoire pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des balises réparties sur le territoire dont chacune comprend un bras tournant portant à ses extrémités des antennes rayonnant une énergie hyperfréquence, des moyens étant prévus pour entraîner les bras en synchronisme. 3.- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les hyper-fréquences des diverses balises ont sensiblement la meme valeur. 4.- Installation selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que l'énergie hyper-frEquence appliquée aux deux antennes d'une même balise est décalée en phase de 5.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce que les avions destinés à voler au-dessus du territoire comprennent un poste récepteur des émissions des balises et des moyens pour visualiser les balises par l'intermédiaire d'une corrélation entre des signaux tirés des signaux reçus avec une modulation créée à bord de l'avion, la corrélation étant suivie d'une intégration. 6. - Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend un disque rotatif portant un dessin de franges modulant la lumière provenant d'une source lumineuse alimentée à partir des signaux reçus. 7. - Installation selon la revendication 6, caractérisée er ce que les signaux captés par l'antenne de l'avion sont soumis à un changement de fréquence à partir d'un oscillateur local, les signaux moyenne fréquence ainsi obtenus étant soumis à une détection suite d'un filtrage faisant apparaltre la modulation de phase autour d'une fréquence porteuse nulle, les signaux filtrés- servant à l'alimentation d'une diode électro-luminescente placée devant le disque modulateur de lumière. 8.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le moteur d'entraînement du disque modulateur est ajustable pour faire tourner ledit disque en synchronisme avec les bras des balises. 9.- Procédé pour faciliter l'atterrissage d'un avion sur un aérodrome muni d'un dispositif d'antenne rotative tournant en synchronisme avec les dispositifs d'antennes de navigation, carac térisé,en ce qu'on fait application de l'installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 ci-dessus pour la détermination des facteurs angulaires de localisation de l'avion par rapport au dispositif d'antenne d'aérodrome. 10.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'avion comprend des moyens pour, à partir de la réception des signaux modulés en phase et utilisés pour la navigation, tirer des fréquences de référence facilitant l'exploitation des signaux modulés en phase prévus pour son atterrissage.