Brevet FR2362458A1 — publié le 19780317

L'invention concerne les systèmes de radionavigation aérienne et vise un procédé et un appareil de-traitement des signaux radio électriques reçus de balises émettrices implantées au sol. Dans des systèmes connus de navigation aérienne, on détermine le site ou l'azimut de l'avion par rapport a une balise par traitement des signaux radioélectriques reçus a bord - partir d'une source - radioélectrique fixe et d-'une-source radioélectrique mobile rectilinéairement que comporte la balise qui est avantageusement réalisée par une multiplicité de dipôles alignés sur un segment de droite et alimentés successivement au moyen d'un commutateur. Les signaux reçus a bord de l'avion portent donc trace d'une part, du décalage de fréquence résultant de l'effet Doppler da au seul mouvement de l'avion par rapport a la source fixe, et d'autre -patt-,-des décalages de fréquences résultant des effets Doppler dus aux mouvements simultanés de la source mobile et de l'avion. Par différence des signaux reçus de chacune des sources on obtient un signal qui ne tient compte que de l'effet Doppler relatif au seul mouvement de la source mobile, d'où on peut tirer le site ou l'azimut de-:l'aliror;-par rapport a la balise. Dans d'autres systèmes connus, on détermine simultanément le site et la distance d'un avion par rapport a un ensemble de deux balises linéaires identiques entré elles et sémblables à-celIes des systèmes ci-dessus, et disposées verticalement de part et d'autre de la piste d'atterrissage. Les balises émettent deux paires de signaux radioélectriques de fréquences distinctes fl, f2 et f3,f4, les fréquences d'une meme paire étant de préférence voisines l'une de l'autre. Le site et la distance sont déterminés par comptage, dans un intervalle de temps prédéterminé, du nombre d'alternances conte nues dans deux signaux obtenus en mettant en évidence, par filtrage, les fréquences de battement f' = fl - f2 et ffl = f3 - f4, comportant le seul décalage de fréquence Doppler db au mouvement de la source mobile, en combinant les signaux des fréquences de battement f' et f" pour obtenir un signal -somme z= (f + f") et un signal différence A = (f' - f"), et en comptant séparément le nombre de passages d zéro du signal somme et du signal différence, les résultats des comptages étant respectivement représentatifs de la valeur du site et de celle de la distance de l'avion par rapport aux deux balises. Ces procédés de traitement des signaux qui font appel au comptage perdent toute signification dans le cas où l'un, ou a fortiori plusieurs, des dip81es commutés successivement pour simu- ler la source mobile, deviennent inopératoires pour une raison quelconque. En outre, s'il existe au sol des obstacles sur lesquels se réfléchissent les signaux émis, le comptage s'applique également aux-signaux provenant des rétiexions sur les obstacles qui ne peuvent pas etre distingués des signaux provenant d'une transmission directe, et perd ainsi toute signification. Par ailleurs, le bon fonctionnement de ces systèmes implique qu'il y ait un nombre minimal de diples sur la longueur totale de l'antenne. Enfin, la précision de la mesure étant proportionnelle à L cos é dans lequel L est la longueur apparente de l'antenne et @ l'angle de site, amène a utiliser des antennes de grande longueur Si la détermination du positionnement angulaire en est rendue plus précise lorsque l'avion est a grande distance de la balise, les mesures perdent de leur signification lorsque avion s'en approche, et cela d'autant plus que l'antenne est de grande longueur. En effet, l'évolution de la distance entre les dip M es émetteurs commutés et l'antenne de réception de l'avion n'est linéaire au cours du temps que si la distance entre l'antenne d'émission et l'antenne de réception est très élevée.A distance moyenne et faible il faut tenir compte de la sphéricité des ondes, ce qui a pour effet d'introduire des termes quadratiques, cubiques, La présente invention écarte ces inconvénients grace a un procédé de traitement des signaux radioélectriques émis par un ensemble de deux balises linéaires disposées l'une à côté de l'autre et parallèles entre elles dans lequel chaque balise, de structure en soi connue, comporte deux réseaux linéaires d'éléments d'antennes ou dipôles, régulièrement espacés, les deux réseaux étant disposés en ligne, de longueurs différentes et alimentés par deux ondes radioélectriques de fréquences voisines au noyen de deux commutateurs de sorte que le déplacement des deux sources mobiles s'effectue en sens inverse. L'invention a pour objet un procédé pour déterminer simultanément un facteur de positionnement angulaire -site on anima et la distance d'un mobile comme un avion par rapport a un ensemble de deux balises comportant chacune une source mobile rectilineai- rement, le mouvement de la source mobile d'une balise étant a chaque instant opposé a celui de la source mobile de l'autre balise, comme réalisé par deux réseaux linéaires alignés d'éléments d'antennes régulièrement espacés et alimentés par deux ondes radioélectriques a fréquences voisines au moyen de deux coi-itateurs, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on détermine les fréquences de battements inférieurs des signaux reçus de chacune des balises par multiplication suivie de filtrages, en ce que l'on multiplie entre eux les signaux de battements inférieurs obtenus, en ce que l'on filtre pour obtenir sur une voie la différence des fréquences de battements et sur une autre voie la somme des fréquences de battements, et en ce que l'on effectue simultanément sur la voie différence une corrélation de Fourier et sur la voie saure une corrélation de Fresnel. Sur l'avion, la réception simultanée des émissions des deux balises permet d'atténuer sensiblement le facteur perturbateur dépendant de la longueur des antennes. Les signaux reçus sont alors équivalents a ceux qu'émettrait une source mobile unique dont le mouvement apparent est créé par les mouvements relatifs des deux réseaux linéaires de dipôles Une variante du procédé de l'invention prévoit de déterminer la distance et le positionnement angulaire par comptage sur chacune des voies. L'invention a aussi pour objet un appareil de réception de radionavigation pour la mise en oeuvre du procédé. La description qui suit, faite d titre d'exemple, se réfère aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue schématique relative a un équipement au sol; la figure 2 est un schéma de l'alimentation des dipôles d'une balise faisant partie de l'équipement au sol de la figure 1; la figure 3 est un schéma en blocs-diagrammes d'un équipement d'avion; la figuré 4 est un schéma explicatif; la figure 5 est une vue analogue a la figure 2, mais pour une autre réalisation; la figure 6 est une vue analogue a la figure 2, bayais pour une variante; la figure 7 montre schématiquement un équipement au sol et un avion; la figure 8 est une construction géométrique schématique. On se réfère d'abord a la figure 1 relative a une forme de réalisation d'un équipement au sol comprenant deux balises radioélectriques A et A', en principè de constitutions identiques. La balise A,de structure en soi connue, comprend une multiplicité de bipales D1, D2, D3" etc., alignés, équidistants, ainsi qu'une multiplicité de dipôles dl, d2, etc.., équidistants, alignés entre eux et alignés avec les dipôles D. Si n est la distance entre deux dipôles d adjacents, et si ceux-ci sont au nombre de quatre, la distance 1 entre deux dip6les D adjacents est 1 = (M+m) avec : N = (4-l)m. D'une manière générale, si les dipôles d sont au nombre de n, on a la relation M= (n-l)m (1) Les dipôles D et d de la balise A sont alimentés (figure 2) au moyen de deux commutateurs électroniques 15 et 16, respectivement par deux signaux radioélectriques de fréquence q et f2. Les signaux de fréquence fl et f2 sont obtenus a partir des signaux, de fréquence f, délivrés par un émetteur 11 qui alimente par l'intermédiaire d'un diviseur de puissance par deux 12, deux diviseurs de fréquence 13 et 14 reliés respectivement aux commutateurs 15 et 16. De même les dipoles D' et d' de la balise A' sont alimentés au moyen de deux commutateurs 15' et 16' par deux signaux radioélectriques de fréquence f3 et f4 obtenus a partir des signaux délivrés par un émetteur 11' qui alimente, par l'intermédiaire d'un diviseur de puissance par deux 12', deux diviseurs de fréquence 13' et 14' reliés respectivement aux commutateurs 15' et 16'. Une horloge 17 de période T est reliée a une unité de commande 18 dont les sorties 19 et 19' -assurent aux commutateurs 15 et 15' une période de commutation égale a 3T1 et dont les autres sorties 20 et 20' assurent aux commutateurs 16 et 16' une période T1 dont la valeur est donnée par T1 = 4T (2) T étant la durée élémentaire d'émission d'un dipôle d ou d'. Les contacts C1, C2, C3 avec lesquels coopère le premier commutateur électronique 15 sont reliés aux dipôles D1, D2, D3 par l'intermédiaire de déphaseurs P1, P2, P3 ajustés pour que les longueurs radioélectriques des divers circuits aboutissant aux dipôles D soient égales. De même, les contacts cl, c2, c3, cq, avec lesquels coopère le second commutateur électronique 16, sont reliés aux dipôles dl, d2, d31 d4 par l'intermédiaire de déphaseurs p1, p2, p3, p4 a justables. La disposition sur la balise A' des dipôles D' et d' est identique 9 celle des dipôles D et d sur la balise A. Toutefois, le sens de commutation des dipôles D' est inverse de celui des dipoles D tandis que le sens de commutation des dipôles d' ou d est inverse de celui des dipôles D' ou D respectivement. On a montré par la flèche ul le sens de commutation des dipiles D et par la flèche u2 le sens de commutation des dipôles d de la balise A; par la flèche u3 le sens de commutation des dipôles D', inverse du sens de commutation des dipôles D, et par la flèche u4 le sens de commutation dés dipôles d' de la balise A'. Dans une forme de réalisation, les émetteurs 11 et 11' ont des fréquences voisines, par exemple distantes de quelques kHz. Pour une fréquence porteuse de 6 GHz, les fréquences émises par les dipôles D,d, D',d', respectivement fl, f21 f3 et fq, satisfont aux relations ci-après : f2 - fl = 5 kHz (3) f4 - f3 = 10 kHz (4) f1 - f4 = 20 kHz (5) On se réfère maintenant a la figure 3 relative a un appareil de réception objet de l'invention et situé a bord de l'avion.Les signaux sont captés par une antenne 51 et appliqués a un récepteur 52 dont la sortie moyenne fréquénce 53 est appliquée a un élément non-linéaire, comme une diode 54, qui effectue le produit des divers signaux présents dans la moyenne fréquence. La sortie 55 de la diode 54 se divise en une première voie 56 comportant un premier filtre 57 laissant passer les signaux compris, dans l'exemple, entre 3 kHz et 5 kHz, et en une seconde voie 58 comprenant un second filtre 59 laissant passer les signaux dont la fréquence est comprise entre 10 kHz et 12 kHz. Les termes utiles pour la détermination de la différence des décalages Doppler résultant de la balise A traversent le filtre 57 et les termes utiles pour la détermination des décalages Doppler résultant de la balise A' traversent le filtre 59. Pour la balise A', les sens de commutation définis par les flèches u3 et u4 sont tels quele réseau linéaire d'éléments d'antennes équivalent, c'est-d-dire la source équivalente a l'en~ semble des dipôles D' et d' excités, est animée d'un mouvement descendant. La différence des fréquences résultantes ne peut donc être que plus faible que 10 kHz. Par contre, pour une balise équivalente résultant de la réflexion par le sol des rayonnements émis par les dipôles D' et d', la balise-image a un mouvement ascendant auquel correspond une différence de fréquences résultante plus élevée que 10 kHz. Le filtre 57 élimine donc l'écho de sol provenant de la balise A'. De même, le filtre 59 élimine la différence des fréquences résultante oorrespondant a la balise-image de la balise A ascendante fournies par la réflexion par le sol des énergies émises par lesdits dipôles. Aux sorties 61 et 62 des filtres 57 et 59, la phase du signal reçu d'un dipôle de rang i, est donnée par la relation dans laquelle #i est la phase du signal utile correspondant a la réception du dipôle di; #(t-r/c) est la phase du signal du diple situé au niveau z=0, comme montré en do sur la figure 4; X est la longueur d'onde de l'émission; Zi est l'ordonnée du dipôle excité au moment considéré, cette ordonnée pouvant être positive ou négative; 9 est le site de l'avion AV; r est la distance de l'avion AV au dipôle dg; ri est la distance de l'avion AV au dipôle d'ordonnée z. , avec # a la signification habituelle de "ordre de grandeur", ce qui signifie que les termes d'exposant plus élevé que 3 peuvent être négligés; t est le temps. On définit habituellement deux distances : la distance de Fraunhoffer rl et la distance de Fresnel r2 qui introduisent respectivement dans la relation ) les termes quadratiques et cubiques, Dans ces deux formules, i est la distance maximale des dipOles de l'antenne au dipôle do (figure 8).On a donc z. - i N L'amplitude des termes quadratiques ou cubiques de la relation {6) ne doit pas dépasser la valeur de 1/2 si l'on veut ne pas devoir en tenir compte dans le traitement du signal Si r > r > r2 les termes quadratiques sont peu importants et les termes cubiques négligeables; r1 > r > r2 seuls les termes quadratiques sont importants; rlwr2wr tous les termes de la relation (6) sont A prendre en compte. Par exemple, avec une antenne dans laquelle la course de la source est 10 mètres (i = +5 m) émettant å 6 GHz (#=0,05 m) les distances de Fraunhoffer et de Fresnel sont respectivement r = 1000 m r2 - 70 m. Pour une telle antenne, et pour les distances moyennes de l'avion b la balise, il suffit de tenir compte des seuls termes quadratiques, les termes d'ordre supérieur pouvant être négligés au-delA de 70 m. Le signal utile correspondant aux dipôles de rang i' dans l'antenne A' est donné par une relation analogue a la relation (6) ci-dessus. Les circuits 61 et 62 aboutissent a un élément non-linéaire 67, comme une diode, qui effectue le produit des signaux qu'elle reçoit. A la sortie 69 de l'élément non-linéaire 67 sont présents des signaux dont les fréquences sont les fréquences somme et les fréquences différence des signaux présents sur les circuits 61 et 62. Ces signaux contiennent respectivement les informations de distance et de positionnement angulaire (site) du mobile par rapport aux balises. Le circuit 69 se divise en deux voies 71 et 72, la première voie 71 (ou voie diffErence) comprenant un filtre 73 laissant passer les signaux dont la fréquence est, dans l'exemple, comprise entre 5 kHz et 9 kHz, et la seconde voie 72 (ou voie somme7 comprenant un filtre 74 laissant passer les signaux dont la fréquence est comprise entre 13 kHz et 17 kHz. Les sources mobiles des balises A et At simulées par lexci- tation successive des dipôles étant animées de mouvements en opposition de phase, la sortie 75 du filtre 73 contient des signaux caractérisés par la différence des parties linéaires de la relation (6) et d'une relation analogue relative a la balise A' (qui sont de signes opposés) et par la différence des parties quadratiques, qui sont de même signe, en raison du fait que z2. = (z.,)2 Zi I Les parties linéaires de la modulation de phase sont donc ajoutées tandis que les parties quadratiques sont éliminées. Le signal sur la sortie 75 est donc le même que celui qui serait fourni par une balise fictive ou balise équivalente Aw de longueur double de celle des balises A et A', située approximative- ment au milieu desdites balises et conduisant a une modulation de phase proportionnelle a la moyenne arithmétique des modulations de phase qui correspondent aux angles de site résultant de la réception sur l'avion de l'émission de la balise A et de l'émission de la balise A'. Pour la balise équivalente A", la distance de Fraunhoffer r est réduite d'un facteur r -r s d r rd étant la distance de l'avion AV (figure 4 > au dipôle d'o de la balise A' et r g étant la distance de l'avion AV au dipôle do de la balise A. Ce terme est suffisamment petit pour que la modulation quadratique de phase soit négligée et ainsi, l'appareil sur l'avion fournit des informations angulaires précises m8me pour les moyennes et faibles distances de l'avion à la balise. Un dispositif 79 relié à la sortie 75 effectue ensuite une corrélation de Fourier pour donner la mesure angulaire. L'invention prévoit d'utiliser une balise comprenant deux réseaux d'antennes matériellement confondus et comprenant des dipôles soit du type b, soit du type D, qui sont excités en sens inverse suivant un premier couple de fréquence fl'f2 et suivant un second couple de fréquence f3, f4, respectivement. Avec une telle balise, la distance de Fraunhoffer de la balise équivalente est pratiquement nulle (r =rua). g d A la sortie 76, ou sortie somme, du filtre 74, les parties linéaires des signaux,de sens opposés, sont pratiquement éliminées. Par contre, les parties quadratiques des signaux composants s'ajoutent, ce qui conduit approximativement à une distance de Fraunhoffer double. Pour déterminer la distance du mobile par rapport aux balises un dispositif 77 relié a la sortie 76 effectue une corrélation suivant laquelle on multiplie le signal par la succession des signaux caractéristiques de toutes les distances possibles de l'avion à la balise. On obtient à la sortie 78 l'information correspondant à ladite distance. Si : #r est l'erreur entre la position vraie et la position estimée, c'est-à-dire celle fournie à la sortie 78, # est la longueur d'onde, zM est la longueur de l'antenne, on a : Avec les valeurs suivantes ZM = 10 mètres, # = 5.10-2 mètres, on a: ca -3 db près) approximativement égal à 1,2.10-4r2, et et r étant exprimés en mètres. L'invention prévoit de disposer, dans une variante de réalisation de l'appareil de réception, une série due couples de répliques voisines et de noter les instant s où les sorties de deux corrélations voisines sont, d'une part, non nulles, et, d'autre part, égales. On obtient ainsi une base de mesure de distance, de précision croissante au fur et a mesure que l'avion s' approche de l'atterrissage. L'invention prévoit également un procédé de traitement suivant lequel on effectue une seule corrélation pour obtenir soit un facteur de positionnement angulaire, soit la distance. On va maintenant décrire des variantes de réalisation d'un équipement au sol. Dans une première variante de réalisation, la fréquence des excitations des réseaux d'antennes d'une balise est la meme, mais l'excitation des éléments d'antennes de l'autre balise se fait avec un autre code de phase, les codes de phase correspondant aux deux balises étant orthogonaux. Dans une seconde variante de réalisation, on applique sur les dipôles des balises un signal radioélectrique modulé en amplitude, la cohérence de phase de la porteuse étant respectée. Dans une troisième variante de réalisation on introduit une modulation de phase a l'émission, la différence des phases des émissions correspondant respectivement a l'un et a l'autre des éléments de balise restant constante au cours du temps. La figure 5 décrit une quatrième variante de réalisation d'une balise au sol. Dans cette réalisation, le commutateur électronique 15 coopère avec trois contacts C1, C2, C3. Le contact C2 n'est pas relié a un dipôle, mais a une charge adaptée E2 dont la valeur est choisie de manière a respecter la cohérence temporelle. L'élément de balise B comprend alors seulement deux dipôles D1 et D3. La distance entre les deux dipôles est de 2(M+m) (11) De même, un contact c, par exemple le contact c3 du commutateur électronique 16 est relié a une charge adaptée e3. A la réception sur un avion, gracie au procédé de traitement du signal utilisé, la balise apparat comme non-lacunaire, mais son émission est modulée en amplitude par le produit des modulations d'amplitude des deux éléments de balise. On se réfère maintenant a la figure 6 qui est une dernière variante de réalisation d'une balise au sol. Dans cette forme d'application, le commutateur électronique 15 est alimenté a partir d'un émetteur 31 a fréquence f et le commutateur électronique 16 est alimenté å partir d'un émetteur 32 à fréquence f2 Sur les circuits de liaison 33 et 34 sont interposés des modulateurs de phase 35 et 36. La modulation de phase, identique pour les deux voies, est fournie par un circuit 37. La modulation en phase peut avoir un code quelconque. Mors- qu'aux deux éléments de balise correspondent des codes différents, la différence des phases des deux codes doit tore égale a une constante. Une balise ainsi alimentée permet sur l'avion la distinction entre la balise réelle et une balise écho, tout en éliminant les composantes de signaux indésirables provenant du traitement par un élément non-linéaire comme une diode. Une réalisation correspondante est montrée sur la figure 7. Un premier élément de balise B a ses dipôles excités en succession a une fréquence radio modulée en phase suivant un code par un dispositif schématisé en 41. Un second élément de balise b a également ses dipôles excités en succession a une fréquence radio identique ou proche de la première et modulée en phase suivant le mSme code par un dispositif 42. On a schématisé par la droite 43 la transmission radio directe entre un dipôle d de l'element de balise b et l'antenne 44 de l'avion AV et par les lignes 45 et 46 la transmission entre ledit dipôle et l'antenne 44 par réflexion sur un obstacle 47.De même, on a schématise par la droite 48 la transmission directe entre le dipôle D excité simul- tapement de l'élément de balise B et l'antenne de réception 44 et par les lignes 49 et 46 la transmission a partir dudit dipôle D par réflexion sur l'obstacle 47. Au récepteur 51 placé sur l'avion est associé un élément non-linéaire schématisé par la diode 52 propre à fournir notamment le produit des signaux appliqués a son entrée. A la sortie du récepteur non-linéaire comprenant la diode 52, on dispose donc d'un signal *objet* correspondant a la balise B,b d'un signal *image* correspondant a l'image de la balise B,b fournie par réflexion sur l'obstacle 47. Ces signaux sont décodés par l'appareil que comporte l'avion. Par contre, le signal composite, indésirable, correspondant aux termes croisés du produit forme par la diode, conserve un code de phase résiduel qui s'ajoute au codage de phase résultant de la différence des effets Doppler correspondant à l'objet et à l'image et qui, ainsi, peut être éliminé. REVENDICATIONS 1.- Procédé de radionavigation dans lequel on détermine, à bord d'un avion, simultanément un facteur de positionnement angulaire et la distance de l'avion par rapport à un ensemble de deux balises comportant chacune une source mobile rectilinéairement, les sources mobiles des deux balises ayant à chaque instant des mouvements opposés et étant alimentées par deux ondes radioélectriques de fréquences voisines, caractérisé en ce qu'après avoir mis en évidence les fréquences de battements inférieures des signaux reçus de chacune des balises par multiplication suivie de filtrages, l'on multiplie entre eux les signaux de battements inférieurs obtenus, en ce que lton filtre pour obtenir sur une voie la "différence" des fréquences de battement et sur une autre voie la "somme"des fréquences de battement et en ce que l'on effectue sur la voie "différence" une corrélation de Fourier et sur la voie "somme" une corrélation de Fresnel. 2.- Appareil de réception de radionavigation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant successivement un récepteur linéaire, un élément non-linéaire qui multiplie entre eux les deux signaux radioélectriques reçus de chacune des balises et dbux moyens de filtrage pour la mise en évidence des deux signaux de battements inférieurs, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour multiplier entre eux lesdits signaux de battements inférieurs, des premiers moyens de filtrage suivis d'un corrélateur de Fourier et des seconds moyens de filtrage suivis d'un corrélateur de Fresnel. 3.- Système de radionavigation aérienne, caractérisé en ce qu'il comprend à bord d'un avion un appareil de réception de radionavigation selon la revendication 2 et au sol deux balises comprenant chacune une source mobile, les sources des deux balises étant à chaque instant animées de mouvements opposés et alimentées par deux ondes radioélectriques. 4.- Système de radionavigation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les signaux radioélectriques d'alimentation des sources mobiles ont des fréquences différentes. 5.- Système de radionavigation selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4,caractérisé en ce que les signaux radioélectriques d'excitation des sources mobiles sont modulés en amplitude. 6.- Système de radionavigation selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérise en ce que les signaux radioélectriques d'excitation des sources mobiles sont modulés en phase, les codes de phase étant différents les uns des autres. 7.- Système de radionavigation selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les sources miles des deux balises sont sur un mEme alignement.