Brevet FR2519430A1 — publié le 19830708

SYSTEME D'ATTERRISSAGE HYPERFREOUENCE A PROTECTION CONTRE LE BROUILLAGE La présente invention concerne un système d'atterrissage hyperfréquence à protection contre le brouillage. Avant toutefois de décrire l'objet de l'invention, il ne paraît pas inutile de rappeler en quoi consiste un système d'atterrissage hyperfréquence qui a tendance à se substituer progressivement aux systèmes d'atterrissage dits aux instruments qui sont largement répandus dans le monde mais qui deviennent, malgré les perfection- nements dont ils sont l'objet, de moins en moins adaptés aux besoins de l'aviation moderne actuelle. Un système d'atterrissage hyperfréquence fournit à l'aéronef toutes les informations nécessaires pour déterminer sa position par rapport à la piste d'atterrissage sous la forme d'un angle d'azimut et d'un angle de site et ainsi que de sa distance, celle-ci toutefois étant donnée par un équipement de mesure de la distance (DME) associé. Le système MLS sigle sous lequel le système d'atterrissage hyper- fréquence est connu (Microwave Landing System) est dit anamé- trique car la mesure est effectuée à bord de l'aéronef à partir des informations émises par la station MLS située au sol dont l'émission est destinée à tous les aéronefs se trouvant dans sa couverture. Chaque aéronef détermine sa propre position à partir des infor- mations émises par la station sans entrer en communication bila- térale avec elle. Une installation au sol MLS comporte généralement deux stations au sol, l'une envoyant un message azimut et l'autre envo- yant un message site, une troisième station DME (Distance Measu- rement Equipment) fournit un message distance Dans ce qui suit toutefois, il ne sera plus fait allusion à cette station De même, on ne s'occupera pas de l'équipement à bord de l'aéronef qui exploite les informations émises par les stations MLS au sol A l'aide de ces informations, l'aéronef détermine sa position angulaire (azimut et site) et sa distance par rapport à l'axe et à un point de référence EIS BOU 19430 défini de la piste d'atterrissage. Dans son principe une mesure angulaire au sol azimut et/ou site est effectuée à partir d'une antenne créant un faisceau étroit en forme d'éventail qui balaie la section angulaire de la couverture MLS et la position angulaire de l'avion est déterminée par le balayage aller et retour du faisceau, en mesurant l'intervalle de temps entre deux impulsions reçues par l'avion, une à chaque passage du faisceau. Le MLS assure un certain nombre de fonctions, mais dans ce qui suit on ne s'intéressera qu'aux fonctions azimut et site. Ces fonctions avec les autres sont émises en partage de temps. Une émission s'effectue sur une seule fréquence porteuse attribuée à la station angulaire La partie mesure angulaire, balayage du fais- ceau, est effectuée sans modulation de la porteuse, la transmission des données est effectuée en modulation DPSK, modulation par phase différentielle. Dans un système MLS, l'émission relative à une fonction commence toujours par un préambule émis par une antenne à couverture sectorielle, couvrant la totalité du volume MLS, pré- ambule qui assure la synchronisation de la séquence de mesure à bord et donne lidentité de la fonction angulaire qui va suivre, azimut ou site L'émission du préambule est suivie donc par l'émis- sion des balayages "aller" et "retour" du faisceau battant créé par une antenne à balayage électronique comme on l'a déjà précisé, la mesure à bord de l'aéronef du temps qui s'écoule entre deux passages successifs du faisceau battant sur l'aéronef permettant la mesure angulaire. La description du système MLS qui vient d'être donnée peut être trouvée avec plus de détails dans les deux articles suivants: le MLS, un exemple d'utilisation du microprocesseur de B. Letoquart et J M Skrzypczak paru dans la revue "Navigation" d'avril 1981; the MLS in France, paru dans la revue "Microwave Journal" May 1981, pages 113 à 120. On constate cependant dans la phase de fonctionnement du système MLS, relative à l'émission du préambule puis de la fonction angulaire que l'antenne sectorielle, qui émet le préambule de la fonction et couvre le secteur de balayage proportionnel présente un gain inférieur à celui de l'antenne à faisceau battant Cette diffé- rence de gain entre les antennes, entraîne en cas de brouillage du système, une plus grande vulnérabilité du préambule comparée à la vulnérabilité des signaux de la mesure angulaire. L'objet de la présente invention est de réduire cette vulnéra- bilité du système MLS au brouillage, principalement du préambule de la fonction considérée. Suivant l'invention, un système d'atterrissage hyperfréquence ou MLS, à protection contre le brouillage, dans lequel les signaux émis comprennent une partie préambule et une partie message angulaire spécifique, azimut ou site, émises séparemment dans des diagrammes différents est caractérisé en ce que, pour échapper au brouillage, le préambule est émis dans un diagramme renforcé présentant un gain supérieur à celui du diagramme l'émettant normalement. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description qui suit d'exemples donnés à l'aide des figures qui représentent: la figure 1, une représentation d'un diagramme d'antenne renforcé dans une direction donnée; la figure 2, une représentation d'un diagramme d'antenne renforcé dans la direction de l'axe azimut; la figure 3, un diagramme schématique de l'alimentation des antennes dans un système MLS sèlon l'art antérieur; la figure 4, un diagramme schématique de l'alimentation des antennes d'un système MLS selon l'invention, lorsque les centres de phase des deux antennes sont confondus; la figure 5, un diagramme schématique des deux antennes- quand leurs centres de phase ne sont pas confondus; et la figure 6, un diagramme schématique de l'alimentation des antennes selon l'invention avec mise en phase des diagrammes des antennes dans la direction choisie. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures assurent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. On a indiqué dans l'introduction que dans le système MLS, qui est destiné à remplacer le système ILS, on envoie des messages angulaires d'un format tel qu'ils comprennent une partie préambule indiquant l'identité du message angulaire spécifique qui va suivre, et la partie message spécifique Une des caractéristiques remarquables du système MLS est que le préambule est émis par une antenne sectorielle tandis que le message spécifique est émis par une antenne à balayage électronique dite antenne à faisceau battant. Etant donné la largeur du secteur couvert par l'antenne d'émission du préambule par rapport au secteur étroit couvert par le -faisceau dit en éventail rayonné par l'antenne à faisceau battant, il est clair que le gain de l'antenne sectorielle est plus faible que le gain de l'antenne à faisceau battant On peut montrer facilement que la largeur à 3 d B du faisceau battant étant de 40 à 1 alors que l'antenne sectorielle, par exemple azimut, a une ouverture de l'ordre de 80 (i 400), la différence entre le gain de l'antenne sectorielle et celui de l'antenne à balayage électronique est de 7 à 15 d B Autant le faisceau du balayage électronique est étroit, autant le gain de son antenne est élevé Le gain théorique déterminé est évidemment diminué par les différentes pertes qui peuvent intervenir entre la sortie de l'émetteur et l'antenne à balayage électronique, au niveau de certains de ses constituants, par exemple les diviseurs de puissance, les déphaseurs, etc Dans ces conditions pour une largeur du faisceau par exemple de 3 , la puissance crête rayonnée de la sorte par le faisceau battant est de 10 d B plus forte que la puissance crête rayonnée par l'antenne sectorielle. Comme on Pa indiqué précédemment, cette différence de gain entre les deux antennes du système MLS, joue un rôle important en cas de brouillage Le préambule émis par l'antenne sectorielle est beaucoup plus vulnérable que le signal émis par le faisceau battant. Ainsi, le préambule émis en modulation DPSK, selon les mots choisis dans le format OACI (Organisation de l'aviation civile interna- tionale) ne tolère aucune erreur de décodage, l'erreur sur un bit rendant le message inutilisable Un rapport signal sur brouillage supérieur ou égal à 6 d B, s'impose donc à la réception. Ainsi un brouillage qui peut être réalisé soit par une émission continue pour laquelle le rapport du signal au brouillage est inférieur à 6 d B, soit par les impulsions d'une largeur de l'ordre de 100 us et de fréquence de répétition convenable de l'ordre de 1000 Hz par exemple, peut empêcher le décodage du préambule et par la même occasion le décodage des données de base et des données auxiliaires transmises par l'antenne sectorielle. Suivant l'invention, on réduit cette vulnérabilité du préambule au brouillage en renforçant, pour l'acquisition de la mesure angu- laire, le préambule qui sera émis avant chaque balayage angulaire azimut ou site La diffusion renforcée de ce préambule est assurée dans un secteur délimité, pouvant être de l'ordre de 3 à 6 par une modification du diagramme de rayonnement de l'antenne sectorielle, pour assurer dans le secteur délimité un gain de l'ordre de 6 à 10 d B supérieur au gain dans le reste du diagramme De cette façon, la réception du préambule pour le ou les aéronefs se trouvant dans la partie renforcée 1 à N du diagramme est assurée avec un gain de + 8 à + 10 d B, tandis que dans le reste du secteur la réception du préambule est faite avec le gain normal de l'antenne sectorielle. L'obtention d'un tel diagramme renforcé, pour l'émission du préambule renforcé par conséquent, est réalisée suivant l'invention par l'utilisation simultanée de l'antenne sectorielle et de l'antenne à faisceau battant. On réalise ainsi une superposition des diagrammes de rayon- nement des antennes considérées, dans la direction o l'on veut émettre un préambule renforcé Suivant l'invention également ce diagramme renforcé, en fait la partie renforcée du diagramme de rayonnement de l'antenne sectorielle, est pointé successivement dans différentes directions, préalablement à l'émission du préambule de la fonction angulaire, de façon à assurer la couverture de la totalité du secteur considéré, azimut ou site De la sorte, au cours d'une séquence des émissions par la station MLS, le préambule est chaque fois renforcé dans une direction différente La réception du préambule renforcé est par la même assurée pour chaque aéronef qui se trouve dans la couverture sectorielle du système MLS, et ce de façon séquentielle En d'autres termes, suivant l'invention, l'émis- sion du préambule est réalisée avec une augmentation du gain de l'ordre de 6 à 10 d B dans des directions bien définis qui couvrent successivement tout le secteur MLS. La figure 1 montre comment se présente le diagramme ren- forcé de l'antenne sectorielle: le renforcement comme cela ressort de la description précédente, apparaît dans un secteur relativement étroit de A O' repéré 1, dans un angle d'azimut de 20 par exemple, par rapport à Pazimut origine 0 On a indiqué en pointillé les renforcements 2, N obtenus pour les positions successives de poin- tage, jusqu'à couvrir l'ensemble de la couverture MLS. La figure 2, montre le diagramme renforcé pour la position angulaire 0 On remarque à l'aide des diagrammes des figures l et 2, que le secteur étroit de largeur à 4 O correspondant à la largeur du lobe renforcé est mobile, le gain maximum que l'on peut obtenir pour chaque renforcement devant être obtenu par pas successifs dans toute la couverture sectorielle De fait, la partie renforcée est dirigée dans une direction différant de AQ O de sa position précé- dente avant de commencer chaque balayage angulaire. Dans ce qui suit on va donner différentes solutions permettant de réaliser le diagramme d'antenne renforcé souhaité. Utilisant les deux antennes existant dans les systèmes MLS, il a paru utile de donner figure 3 une représentation de l'alimentation des dites antennes suivant l'art antérieur. L'antenne sectorielle 8 est reliée à un modulateur DPSK 9 et à l'émetteur MLS 10 à travers le commutateur Il par sa borne A La borne B de ce commutateur Il est connectée aux déphaseurs 12 associés à l'antenne 13, antenne à faisceau battant L'antenne secto- rielle 8 émet le préambule tandis que l'antenne 13 à balayage électronique émet le message angulaire. Suivant l'art antérieur, ces deux antennes sont alimentées alternativement par l'émetteur MLS 10, par l'intermédiaire du commutateur 11. Suivant l'invention, pour =réaliser la forme de diagramme souhaitée; les deux antennes sont alimentées simultanément lors de l'émission du préambule, l'antenne à faisceau battant effectuant ensuite seule l'émission angulaire. On notera que, pour effectuer une sommation de deux dia- grammes d'antenne, il est nécessaire de les sommer en phase, dans la zone o ils se recouvrent. La figure 4 représente de façon schématique une première réalisation permettant d'effectuer la superposition des diagrammes de l'antenne sectorielle 8 et de l'antenne à faisceau battant dans le cas o les centres de phase des antennes sont confondus. Dans cette réalisation schématique l'antenne à faisceau bat- tant est représentée par 13 avec ses antennes élémentaires a 1 à an. Les deux antennes élémentaires repérées 3 et 4 sont utilisées pour créer le diagramme de rayonnement de l'antenne sectorielle, tout en continuant à jouer leur rôle dans l'antenne à faisceau battant En 12 on trouve l'ensemble des déphaseurs associés aux antennes élémen- taires ai à an En 19 on trouve le répartiteur d'énergie associé à l'antenne à faisceau battant 13 qui est connectée à l'émetteur MLS 10 par la borne A du commutateur 11 L'antenne sectorielle 8 est constituée, comme cela a été dit, par les deux antennes élémen- taires en position centrale, 3 et 4 Ces deux antennes élémentaires sont connectées à travers les déphaseurs respectifs qui leur sont associés à des diviseurs de puissance 5 et 6 connectés d'une part au répartiteur 19 et d'autre part à un dispositif de répartition 18 connecté à lémetteur MLS par l'intermédiaire d'un -diviseur de puissance 20. Suivant la position du commutateur 11, l'émetteur MLS 10 alimente soit l'ensemble des antennes à faisceau battant et secto- rielle lorsqu'il est sur sa position B, réalisant la superposition des diagrammes de rayonnement des deux antennes pour l'émission du préambule, soit uniquement l'antenne à faisceau battant quand il est sur sa position A. La figure 5 représente une deuxième réalisation de Pantenne suivant l'invention lorsque les centres de phase des deux antennes ne sont pas confondus Les centres de phase E et C étant séparés par une distance D, il faut envisager un déphasage A t à ajouter, dans le cas de la figure à l'antenne sectorielle 8; ce déphasage A tp vaut 21 f 1 sin 0, avec Q donnant la direction de pointage renforcé. On pourrait également retrancher le déphasage A O à l'antenne à balayage électronique 13. La figure 6 donne le schéma complet de la réalisation quand les centres de phase sont distincts. L'émetteur MLS 10 alimente le modulateur DPSK 9 à travers un commutateur Il par sa borne A Ce modulateur commandé par la commande 21 est connecté à un diviseur de puissance 14 qui est. connecté directement à un déphaseur 16, relié à l'antenne secto- rielle 8 La borne B du commutateur Il est reliée à la borne Bl d'un second commutateur 15 dont la borne Ai est connectée au diviseur de puissance 14 Ce commutateur 15 permet au diviseur de puis- sance 14 de diriger une partie de l'énergie de l'émetteur 10 vers l'antenne à balayage électronique 13 à travers des déphaseurs 12, commandés par la commande 22 qui agit sur le pointage du dia- gramme Cette commande peut être constituée par une mémoire morte programmable contenant les différentes positions numérisées (PROM) Lorsque les commutateurs Il et 15 sont tous deux sur leurs bornes B, Bl respectivement, l'émetteur MLS 10 est connecté directement à l'antenne à balayage électronique 13, assurant l'émis- sion de la partie message Au contraire, lorsque les commutateurs sont sur leurs bornes A, respectivement AI, l'émetteur MLS ali- mente simultanément l'antenne sectorielle et Pantenne à balayage électronique, assurant la formation d'un diagramme renforcé. Les déphaseurs 12 associés à l'antenne à balayage électronique 19430 s 13 sont mis en position par la commande 22 de pointage dit sectoriel pour que l'antenne soit dirigée dans la direction o l'on veut avoir un diagramme sectoriel renforcé émettant le préambule renforcé. Cette direction de pointage est déplacée d'un angle O égal à la largeur du faisceau battant avant la transmission d'un nouveau préambule Ce déplacement est effectué par modification de la commande des déphaseurs 12 Le déphaseur 16 inséré entre la sortie du diviseur de puissance 14 et l'antenne sectorielle 8 a pour rôle de modifier le signal MLS à l'entrée de l'antenne 8 pour en modifier la phase de sorte que les antennes sectorielle 8 et à faisceau battant 13 émettent en phase dans la direction de pointage choisie Q. Suivant une variante, on peut supprimer le déphaseur 16 et ajouter la phase AO à tous les déphaseurs de l'ensemble 12, à l'aide d'une logique de commande, non décrite. On a ainsi décrit un système d'atterrissage hyperfréquence dit MLS à protection renforcée contre le brouillage qui affecte plus particulièrement le préambule. On notera, ce qui est tout à fait normal et admis que le système suivant l'invention ne fonctionne que lorsque la puissance crête du brouilleur reçue à bord de l'aéronef, reste quelques d B au- dessous de la puissance des impulsions angulaires, l'acquisition et la vérification de la validation d'une mesure étant toujours fondées sur le critère que l'impulsion utile doit avoir la plus grande amplitude parmi les impulsions reçues pendant le temps du balayage du faisceau battant. On notera également, que la puissance nécessaire pour brouil- ler le message angulaire transmis par l'antenne à faisceau battant n'est pas changée En effet, lorsque l'on dispose de cette puissance, le système protégé exige que le brouilleur se rapproche à une certaine distance du système MLS, alors que le système non protégé peut être brouillé par l'intermédiaire de son préambule à partir d'une distance double ou triple. On notera que le système protégé reste utilisable par les récepteurs normalisés en cas de non brouillage et permet de continuer'la mesure angulaire, avec des récepteurs adéquats, en cas de perturbation des préambules De fait, le préambule non renforcé reste disponible dans tout le secteur couvert par l'antenne sec- torielle. On notera également qu'avec une émission MLS réalisée sui- vant l'invention, en cas de brouillage, l'aéronef ne reçoit pas l'information préambule régulièrement avant chaque balayage angu- laire, mais seulement lorsque l'aéronef se trouve dans le faisceau renforcé qui rayonne le préambule. Pour permettre la mesure angulaire sans réception systéma- tique du préambule, ce qui arrive lorsque au moment de l'émission suivante par exemple du préambule renforcé dans une direction modifiée par rapport à la précédente, l'aéronef ne se trouve-pas dans la partie renforcée du diagramme, l'émission des séquences des émetteurs au sol transmettant les informations azimut et site, doit être régulière et prédéterminée et le préambule renforcé contient toutes les informations nécessaires pour identifier les séquences d'émission de période T + 1 (t), f(t) étant connu sous son nom anglo- saxon de "jitter" et représentant un intervalle de temps qui est une fonction périodique du temps, croissante et décroissante, telle une fonction sinusoïdale Ce jitter permet d'éviter les multitrajets synchrones, dus très souvent à la rotation des hélices d'avions ou des pales d'hélicoptères En décodant le préambule qu'il reçoit, l'aéronef a connaissance de la fonction qu'il va recevoir et de sa place dans les séquences émises En l'absence de préambule ultérieurement ou plus exactement entre les réceptions des préambules renforcés, l'aéronef peut poursuivre la mesure angulaire. 19430 Il REVENDICATIONS 1 Système d'atterrissage hyperfréquence à protection contre le brouillage, dans lequel les signaux émis comprennent une partie préambule et une partie message angulaire spécifique, azimut ou site, émises séparemment dans des diagrammes différents, caracté- risé en ce que pour réduire l'effet du brouillage, le préambule est émis dans un diagramme renforcé (GI-G 2) présentant un gain supérieur à celui du diagramme l'émettant normalement. 2 Système d'atterrissage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le renforcement ( 1 à n) du diagramme d'émission du préambule se fait successivement suivant un certain nombre de directions choisies, dont l'ensemble couvre la totalité du diagramme d'émission du préambule. 3 Système d'atterrissage hyperfréquence dans lequel les signaux émis comprennent une partie préambule émise par une antenne sectorielle ( 8) et une partie message spécifique émise par une antenne à balayage électronique ou à faisceau battant ( 13), dont le gain est supérieur au gain de l'antenne sectorielle, caractérisé en ce que le renforcement ( 1 à n) du diagramme de rayonnement de l'antenne sectorielle ( 8) est obtenu par superposition à celui-ci du diagramme de rayonnement de l'antenne à faisceau battant ( 13). 4 Système d'atterrissage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la superposition des diagrammes de rayonnement de l'antenne sectorielle ( 8) et de l'antenne à faisceau battant ( 13) est réalisée avec les centres de phase (E-C) des deux antennes con- fondus. S Système d'atterrissage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les centres de phase (E-C) des deux antennes sectorielle ( 8) et à faisceau battant ( 13) étant séparés, la mise en phase des diagrammes de rayonnement des antennes est obtenue par addition d'un déphasage AO produit par le déphaseur ( 16) à l'une des antennes ( 8) ou soustraction de ce même déphasage à l'autre antenne ( 13), pour une direction O de pointage de renforcement ( 1 à n) du diagramme. 6 Système d'atterrissage suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un diviseur de puissance ( 14) connecté à l'émetteur ( 10) du système délivrant une partie de la puissance d'émission à l'antenne ( 8) sectorielle et une autre partie à l'antenne à faisceau battant ( 13) à travers les circuits déphaseurs ( 12) associés à l'antenne à faisceau battant ( 13) et un dispositif de commande ( 22) connecté aux circuits déphaseurs ( 12) déterminant les directions successives de pointage du faisceau de l'antenne à faisceau battant, dans lesquelles l'antenne sectorielle voit son diagramme renforcé. 7 Système d'atterrissage suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un premier commutateur ( 11) à deux positions (A-B) et un second commutateur ( 15) à deux positions (AI-BI), le -15 premier commutateur ( 11) connectant par sa première borne (A) Pémetteur ( 10) du système au circuit modulateur ( 9) générant le préambule des signaux à transmettre, puis à un diviseur de puissance ( 14) alimentant l'antenne sectorielle ( 8) et connectant par sa seconde borne (B) connectée à la seconde borne (BI) du second commutateur, l'émetteur ( 10) du système directement à l'antenne ( 13) à faisceau battant à travers les déphaseurs ( 12 > associé à ladite antenne. 8 Système d'atterrissage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que pour les deux commutateurs sur leur deuxième position (A-AI), l'émetteur ( 10) du système est connecté simultanément aux deux antennes, respectivement l'antenne sectorielle ( 8) et Pantenne à faisceau battant ( 13), créant ainsi la superposition des diagrammes de rayonnement desdites antennes. 9 Système d'atterrissage suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un déphaseur ( 16) connecté entre le diviseur de puissance ( 14) et l'antenne sectorielle ( 8) modifiant de A e la phase du signal appliqué à Pantenne sectorielle ( 8) de façon que les deux antennes sectorielle ( 8) et à faisceau battant ( 13) rayonnent en phase. 19430 Système d'atterrissage suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'un déphasage -Ae est appliqué à tous les déphaseurs de l'ensemble des déphaseurs ( 12) pour assurer le rayonnement en phase des deux antennes sectorielle ( 8) et à faisceau battant ( 13). 11 Système d'atterrissage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'antenne sectorielle ( 8) est constituée par deux antennes élémentaires centrales ( 3-4) de l'antenne à balayage électronique ( 13), ces deux antennes élémentaires étant connectées à travers un premier et un deuxième diviseurs de puissance ( 5-6) à l'émetteur ( 10) du système, à travers deux circuits d'alimentation séparés, l'un comportant un commutateur ( 11) et un répartiteur d'énergie ( 19) étant associé à l'antenne à faisceau battant ( 13), l'autre comportant un troisième diviseur de puissance ( 20) et un répartiteur ( 18) connecté aux deux premiers diviseurs de puissance ( 5-6) étant associé à l'antenne sectorielle ( 8), le commutateur ( 11) sur sa position B connectée au troisième diviseur de puissance ( 20) alimen- tant simultanément les deux antennes ( 13-8) dont les centres de phase sont confondus.