Brevet FR2596547A1 — publié le 19871002

DISPOSITIF POUR ELABORER DES INFORMATIONS DE RADIONAVIGATION AVEC INDICATION DE LEUR VALIDITE. La présente invention concerne un dispositif pour élaborer des informations, notamment des informations de radionavigation, avec indication de leur validité, dispositif comportant un premier récepteur prévu d'une part pour capter une onde qui est modulée par un signal basse fréquence formé de deux composantes fréquentielles différentes présentant entre elles une relation de phase prédéterminée et d'autre part pour restituer le signal basse fréquence à un circuit de traitement élaborant lesdites informations à partir de la différence de niveau desdites composantes contenues dans le signal basse fréquence restitué et ladite indication de validité à partir du niveau de chacune de ces mêmes composantes. Un tel dispositif est plus particulilèrement adapté au système d'atterrissage pour aéronefs connu sous le nom de système I.L.S. Ce système est décrit au chapitre 3 de l'annexe 10 des "Normes et pratiques recommandées internationales télécommunications aéronautiques* éditées par l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale. Grâce à ce système, les pilotes des aéronefs obtiennent des informations de localisation de leur appareil par rapport aux pistes d'atterrissage. Cette localisation s'effectue selon deux directions : une première dite "localizer" définit l'axe de la piste sur lequel l'aéronef doit s'aligner et la deuxième dite "glide path" définit la trajectoire de descente que l'aéronef doit suivre. Pour obtenir ces directions, on utilise la zone commune de deux faisceaux, de rayonnement modulé à basse fréquence. Les fréquences de modulation (respectivement 90 Hz et 150 Hz) sont différentes pour chacun des faisceaux de sorte que lorsqu'on est dans la zone commune, on détecte des niveaux de signaux à 90 Hz et à 150 Hz selon une proportion convenable. Si le niveau des signaux est insuffisant, on invalide l'information pour guider l'aéronef sur la piste d'atterrissage. Cette invalidation se traduit sur l'appareil visualisant les informations par l'apparition d'un drapeau qui masque ainsi l'information visualisée. Il s'est avéré que le choix de la fréquence de 150 Hz est malencontreux car la composante de ce signal à 150 est extrêmement sensible aux parasites industriels créés par le secteur à 50 Hz et provoqués notamment par les postes de soudure à arc. Ces parasites, non seulement, faussent l'information de localisation mais encore peuvent provoquer une indication erronée sur la validité de l'information, ce qui peut être dangereux. En outre, la fréquence porteuse pour les faisceaux de définition d'axe de la piste est de l'ordre de 110 MHz, ce qui est très proche de la bande de fréquence allouée à la radiodiffusion à modulation de fréquence. Les risques d'avoir des informations de localisation inexactes et une mauvaise indication de validité sont encore accrus. La présente invention propose un dispositif pour élaborer des informations avec indication de leur validité qui présente une meilleure garantie en ce qui concerne l'indication de validité. Pour cela, un tel dispositif est remarquable en ce que le circuit de traitement comprend un circuit d'estimation de phase pour établir la relation de phase entre les composantes du signal basse fréquence restitué, pour la comparer à ladite relation de phase prédéterminée et pour fournir une indication d'invalidité pour une comparaison défavorable. La description suivante, faite en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif de radionavigation conforme à l'invention. La figure 2 montre très schématiquement le fonctionnement du système I.L.S. La figure 3 montre la relation de phase entre les signaux à 90 Hz et à 150 Hz utilisés dans lé système I.L.S. La figure 4 montre un autre mode de réalisation préféré du dispositif de l'invention. La figure 5 montre un ordinogramme d'une partie du programme d'initialisation. Les figures 6a et 6b montrent un ordinogramme du programme d'interruption pour le traitement des signaux. A la figure 1, le dispositif pour élaborer des informations de radionavigation conforme à l'invention est destiné à etre embarqué sur un aéronef afin de donner, au cours de la procédure d'atterrissage sur un appareil à aiguille pivotante 1, une information de sa localisation par rapport à l'axe de la piste d'atterrissage. Pour simplifier les explications, on ne s'intéresse pour commencer qu'à l'information d'alignement latéral. Les variations de position de cette aiguille autour d'une position centrale de référence donnent l'écart entre la trajectoire de l'aéronef et l'axe de la piste. En plus de l'appareil à aiguille, il est prévu un drapeau 2 qui vient masquer cette aiguille à l'utilisateur, si la qualité des signaux pour l'élaboration de cette information est estimée insuffisante par le dispositif de radionavigation. Ainsi l'utilisateur sait s'il doit ou non se fier aux indications de l'appareil 1. La figure 2 montre d'une façon schématique comment la localisation latérale s'effectue selon le système I.L.S. précité. La référence 20 indique la piste d'atterrissage, la référence 22 l'emplacement d'antennes qui émettent deux faisceaux de rayonnement 23 et 25 d'une onde V.H.F. (108 à 112 MHz). Le faisceau 23 est modulé à basse fréquence par un signal de 150 Hz tandis que le faisceau 25 l'est par un signal de 90 Hz. La figure 3 montre la relation de phase qui existe entre ces signaux de 90 Hz et 150 Hz. Il existe des instants t;,t' où simultanément ces signaux sont croissants et de valeurs nulles. Cette simultanéité n'est définie qu'avec une certaine tolérance. Pour que la trajectoire de l'aéronef 26 s'aligne sur l'axe 27 de la piste, il faut détecter une égalité d'amplitude des composantes à 150 Hz et à 90 Hz. Le récepteur 30 (figure 1) faisant partie du dispositif de radionavigation, objet de l'invention, capte au moyen de l'antenne 32, les ondes du faisceau 23 et du faisceau 25 à condition toutefois que l'aéronef ne soit pas trop éloigné de l'axe 27. L'étage de détection 33 du récepteur 30 fournit à sa sortie un signal basse fréquence comportant des composants à 90 Hz et à 150 Hz.Ce signal de sortie est alors traité par un circuit de traitement 35 dont un exemple de réalisation est montré en détail à la figure 1. Sur cette figure 1, le circuit de traitement est formé de deux filtres passe-bande 41 et 42 qui sont centrés respectivement sur 90 Hz et 150 Hz et dont les entrées sont reliées à la sortie du récepteur 30. Au moyen de détecteurs 43 et 44 on détermine l'amplitude des signaux aux sorties des filtres 41 et 42 respectivement. La valeur de ces amplitudes va déterminer le pivotement de l'aiguille de l'appareil 1. Si ces amplitudes sont égales l'aiguille prend alors une position centrale de référence indiquant que la trajectoire de l'aFro- nef est alignée sur l'axe 27 de la piste. Pour que - position de l'aiguille soit prise en considération par l'utilisateur, il faut que le drapeau 2 soit levé, c'est-à-dire que l'on doit valider la position de l'aiguille. Un des critères connus de validation consiste à n'accepter que des signaux d'une certaine amplitude aux sorties des détecteurs 43 et 44. Pour cela, on utilise des circuits à seuils 45 et 46 qui fournissent à leur sortie des signaux logiques de valeur "1" si l'amplitude excède un niveau préétabli. La porte "OU" 50 fournit alors à sa sortie un signal de valeur logique "1" indiquant qu'au moins un des signaux aux sorties des détecteurs 43 et 44 a une valeur convenable. La demanderesse a estimé que ce signal de validation n'offrait pas assez de garantie pour déterminer avec sûreté la validité de l'information de localisation visualisée sur l'appareil. Conformément à l'invention, le circuit de traitement comporte un circuit 60 pour établir la relation de phase liant les composantes du signal basse fréquence restitué et un circuit de comparaison 62 pour invalider l'information de localisation lorsque la relation de phase n'est pas respectée. Dans l'exemple montré à la figure 1 le circuit pour établir la relation de phase est constitué tout d'abord par un oscillateur local 70 dont la fréquence en Hz est égale à (150 + 90)/2 c'est-à-dire 120 Hz. Les signaux de sortie de cet oscillateur sont appliqués à deux circuits mélangeurs 71 et 72 pour établir une onde de battement entre les signaux de sortie du filtre 41 et le signal de sortie de l'oscillateur 70 et respectivement entre les signaux de sortie du filtre 42 et le signal de sortie de ce même oscillateur 70. Deux filtres passe-bande 73 et 74 centrés sur 30 Hz sélectionnent le battement convenable aux sorties des circuits mélangeurs 71 et 72, c'est-à-dire (120-90 Hz) et (150-120 Hz) respectivement. Un détecteur de phase 75 peut alors en mesurer la phase. Sans perturbation, la différence de phase est à peu près constante.Si des parasites surviennent, des écarts de phase vont survenir brusquement, ce qui va être détecté par un circuit différentiateur 77. Un signal trop élevé à la sortie du circuit 77 va dépasser le seuil du circuit à seuil 62. Le signal de valeur "1" logique inversé par l'inverseur 79 de signal logique va fermer la porte 64, ce qui va provoquer un "O" à la sortie de la porte 64 et de là, la tombée du drapeau 2. La figure 4 montre l'exemple de réalisation préféré du dispositif pour élaborer des informations de radionavigation conforme à l'invention. Ce dispositif fournit simultanément sur l'appareil de visualisation 1 à deux aiguilles les informations d'alignement sur l'axe de la piste et le bon suivi de la trajectoire de descente. Pour obtenir ces informations simultanées, on utilise en plus du récepteur 30, un deuxième récepteur 130 coopérant avec une antenne 132 pour recevoir des ondes modulées aux fréquences mais avec une fréquence porteuse nettement différente. Le circuit de traitement. 35 prélève tour à tour au moyen d'un multiplexeur 140 pour signaux analogiques les signaux aux sorties des détecteurs 33 et 133 des récepteurs 30 et 130.Après un filtrage sommaire effectué par le filtre passe-bas 142, on code sous forme numéri que ces signaux au moyen d'un ensemble 144 formé d'un échantillonneur bloqueur et d'un convertisseur analogique-numérique. A la sortie de l'ensemble 144 on a deux suites d'échantillons numériques entrelacées : une première correspondant aux signaux détectés par le récepteur 30 et une deuxième correspondant au récepteur 130. Une horloge 146 fixe le rythme d'échantillonnage (par exemple 53120 Hz), un diviseur de fréquence par deux 148 fournit les signaux de commande pour le multiplexeur 140 et un diviseur de fréquence par cent vingthuit référencé 150 fournit un signal INT. Une mémoire 152 du genre "première donnée entrée, première donnée sortie" plus connue sous le nom de mémoire FIFO emmagasine 128 de ces échantillons numériques au même rythme de l'horloge 146.Outre ces échantillons, la mémoire enregistre le signal de sortie du diviseur 148 de sorte que pour chaque échantillon numérique, on a un élément binaire supplémentaire "gl" indiquant sa provenance (récepteur 30 ou récepteur 130). Les échantillons stockés dans la mémoire 150 peuvent être prélevés au rythme d'un signal RFFO pour être traités par un ensemble à microprocesseur 160. Cet ensemble, formé de manière conventionnelle par un microprocesseur proprement dit (par exemple le TMS 320 fabriqué par la société TEXAS INSTRUMENTS), par une mémoire morte contenant le programme de fonctionnement de cet ensemble et par une mémoire de lectureécriture de donnée (mémoire RAM), n'a pas besoin d'être plus détaillé. Cependant, on a repéré par BUSD la ligne de transmission de données et par BUSAD la ligne de transmission de codes d'adresse. Sur la ligne BUSD différents registres 170, 172 et 174 sont connectés. Le registre 170 dont la commande d'enregistrement reçoit un signal CFL fournit à sa sortie le signal pour mettre le drapeau 2 en position haute ou basse. Les registres 172 et 174 dont les commandes d'enregistrement reçoivent les signaux DGL et DLC respectivement fournissent à leur sortie les informations verticales de trajectoire d'atterrissage et les informations horizontales. Pour faire mouvoir d'une façon cohérente les aiguilles de l'appareil 1, on utilise des registres 182 et 184 qui sont connectés en sortie des registres 172 et 174 et dont les commandes d'enregistrement reçoivent le même signal CVSU. Des convertisseurs numériques-analogiques 192, 194, dont les entrées sont connectées à ces derniers registres 182, 184, fournissent enfin les signaux convenables pour faire mouvoir les aiguilles de l'appareil 1. Un décodeur de codes d'adresses 200 permet d'élaborer les signaux RFFO, DGL, DLC, CFL et CVSU en fonction de certains codes d'adresses transmis sur la ligne BUSAD. Le signal INT élaboré par le diviseur par 128, référencé par 150, est appliqué à l'entrée 202 pour signaux d'interruption de l'ensemble 160. Les valeurs contenues dans les registres 172 et 174 représentent respectivement les amplitudes des différences entre les composantes à 90 Hz et à 150 Hz du signal basse fréquence relatif à la descente et différences entre les composantes à 90 Hz et à 150 Hz du signal basse fréquence relatif à l'alignement sur l'axe de la piste. Les amplitudes des composantes sont déterminées par une transformée de Fourier discrète qui est explicitée en annexe et dont la mise en oeuvre sera expliquée à l'aide de l'ordinogramme des figures 6a et 6b. Cette transformée de Fourier donnera également la phase de ces différentes composantes, qui sera utilisée pour vérifier la validité des informations visualisées sur l'appareil 1. Pour s'assurer que la relation de phase est correcte on s'appuie sur les considérations suivantes Les transformées de Fourier portent, comme on le verra ci-dessous, sur des séries de 48 échantillons séparées par des intervalles de temps égaux, de sorte que, si l'on appelle (i) la phase pour une composante (90 Hz ou 150 Hz) d'une itme série et tri+1) la phase d'une (i+1)èe série, on peut écrire - 0(i+1) = K où K est une constante dépendante des intervalles de temps et de la fréquence des composantes ; cette constante K peut donc être prédéterminée. La figure 5 montre une partie du programme d'initialisation (INI) relative aux fonctions à effectuer pour la mise en oeuvre de l'invention. Cette partie de programme se déroule dès la mise en route du dispositif. A la case repérée par la référence K1 à la figure 5, on indique l'opération de masquage d'interruption, c'est-à-dire que les signaux actifs appliqués à l'entrée 202 de l'ensemble 160 seront sans effet sur le déroulement de cette partie de programme d'initialisation. A la case K2 on initialise à 0" différents eiplacements de mémoire qui interviennent dans le programme dont l'ordino gramme est montré aux figures 6a et 6b. Ces différents emplacements de mémoire sont dénoncés respectivement NGL : destiné à contenir le nombre d'échantillons relatifs à l'information de descente intervenant pour une transfor mée de Fourier discrète (voir Annexe). NLC : semblable à NGL mais relatif à l'information d'aligne ment sur l'axe de la piste. VL90-1 et VL90-2 : destinés à contenir les grandeurs Vq-l et Vq-2 relatives à l'information de descente et à la mo- dulation à 90 Hz. VL150-1 et VL150-2 : destinés à contenir les grandeurs Vq-l Vq-2 pour les composantes d'alignement à 150 Hz. VG90-1, VG90-2 : destinés aux grandeurs Vq-1 et Vq-2 pour la composante de descente à 90 Hz. VG150-1, VG150-2 : destinés aux grandeurs Vq-1 et Vq-2 pour la composante de descente à 150 Hz. CG90-1, 0G150-1, L90-1, L150-1 : destinés à contenir les phases relatives à la descente pour les composantes à 90 Hz et à 150 Hz et à l'alignement pour les composantes à 90 Hz et à 150 Hz. Puis à la case K3, on enlève le masquage de l'interruption. Le traitement du signal qui va être expliqué cides sous est exécuté par un programme dont le déroulement est déclenché par les signaux d'interruption INT fournis par le diviseur 150. L'apparition de ces signaux correspond au remplissage de la mémoire 152. Il convient de remarquer que avec les valeurs de fréquences données en exemple, ce remplissage s'effectue toutes les 2,4 ms et que, compte tenu d'un temps de cycle de l'ordre de 240 ns pour un microprocesseur TMS 320, on a à disposition 10000 temps de cycle, ce qui permet donc d'effectuer entre deux apparitions du signal INT le traitement de signal que l'on va expliciter. Pour commencer le déroulement du programme dont l'ordinogramme est montré à la figure 6a, il faut donc que le signal INT devienne actif ce qui est indiqué à la case KîO. A la case K12 qui indique l'opération suivante on transfère le contenu de la mémoire 152 dans la mémoire vive de l'ensemble 160 ; pour cela, il faut notamment activer (128 fois) le signal RFFO pour vider la mémoire et incrémenter un pointeur d'adresse pour la mémoire de l'ensemble 160. Il convient de remarquer que cette opération de vidage n'est pas incompatible avec un remplissage de celle-ci, cette mémoire 152 autorisant un fonctionnement asynchrone entre le vidage et le remplissage. Lors de cette opération de transfert, les échantillons concernant la descente ou l'alignement n'ont pas été dis cernés. A la case K14 on effectue un test sur l'élément binaire bit "gel" qui permet de les distinguer ; si le test est négatif, on incrémente le pointeur d'adresse case K15. Après ce test l'ordinogramme est représenté sur deux branches référencées par LC et GL pour bien représenter le traitement concernant l'information de descente (GL) d'une part et l'information d'alignement (LC), d'autre part. Au moyen des opérations indiquées aux cases K14 et K15, on peut alors demander le traitement concernant l'information de descente. A la case K16, on indique une opération de filtrage numérique passe-bas et de sous-échantillonnage. Ces opérations de filtrage et de sous-échantillonnage sont bien connues et il est inutile de les décrire.On peut se reporter cependant, pour plus de détail à l'article intitulé '"A Digital Processing Approach to Interpolation" de Ronald V.SCHAFER and Lawrence R.RABINER paru dans la revue PROCEEDINGS OF THE IEEE, vol.61, N-6, June 1973. A l'issue de l'opération de filtrage un seul échantillon EGL est élaboré. Cet échantillon est mis dans une mémoire MGL, case K18, et on incrémente d'une unité le contenu de la mémoire NGL indiquant le nombre d'échantillons pour la transformée de Fourier (case K20). A la case K22, on effectue le test pour savoir si le nombre d'échantillons (par exemple 48) est suffisant pour terminer la transformée de Fourier. Si le test de la case K22 se révèle négatif, on effectue les opérations indiquées aux cases K30, K31, K32 et K33 qui ont pour but de préparer la transformée de Fourier. La case K30 est relative à la composante à 90 Hz et la case K32 à la composante à 150 Hz (on utilise alors la formule A-l donnée dans l'Annexe).Puis, pour respecter la récurrence, on décale les valeurs dans les mémoires VG90-2, VG90-1 case K31 et dans les mémoires VG150-2, VG150-1 case K33. Le programme d'interruption est alors terminé (case K34). Pour que le traitement puisse se poursuivre, il faut attendre une autre interruption. Lorsque le nombre requis pour la transformée de Fourier est atteint, ce qui est détecté, on le rappelle, à la case K22, on termine la transformée de Fourier (cases K40 et K42) en ce qui concerne l'amplitude des composantes à 90 Hz et à 150 Hz. Pour cela, on applique la formule A-4 indiquée en Annexe, d'une part pour la composante à 90 Hz (case K40) et d'autre part pour la composante à 150 Hz (case K41). On effectue des tests (cases K42 et K43) sur l'amplitude de ces composantes. Si ces amplitudes sont convenables on poursuit le traitement. On effectue la différence de ces composantes pour mettre sa valeur dans le registre 172 (case K44). Puis, on applique la formule A-3 pour déterminer les angles de déphasage oG90 et G150 des composantes à 90 Hz et à 150 Hz (case R45). On examine ensuite aux cases K48 et K50 si ces angles sont compatibles avec les valeurs précédentes déjà déterminées G90-1 et G15O-1. On tolère une certaine erreur + a par rapport aux valeurs KKB et KKH, valeurs représentant l'écart de phase attendu. Si les test des cases K48 et K50 se révèlent satisfaisants, on enregistre une valeur (un seul bit suffit) dans le registre 170, ce qui fait que le drapeau 2 est levé (ou reste levé) (case K52) ; puis (case K54) on active la commande CVSU pour que, au moins, le registre 182 contienne la valeur de déviation de l'aiguille d'indication de descente de l'appareil 1. Puis les valeurs G90 et XG150 qui viennent d'être calculées sont enregistrées pour devenir respectivement les valeurs G90-1 et G150-1 (case K56). Puis on passe au traitement des informations de localisation par le même procédé. Cela est possible du fait que, pour les informations de localisation, les opérations indiquées aux cases K66, K68, K70, K72, K80 à K84, K90 à K95, K98, K100, K102, K104 et K106 sont les mêmes que les cases K16, K18, K20, K22, K30 à K34, K40 à K45, K48, K50, K52, K54 et K56 relatives aux informations de descente. Le traitement se termine à la case K108 par une reinitialisation des différentes valeurs semblables à celle in diquée à la case K2. Si un seul des test indiqués aux cases K42, K43, K48, K50, K92, K93, K98 et K100 est défavorable, on abaisse le drapeau 2 (case K110) en mettant dans le registre 170 le bit de valeur opposée à celui envisagé aux cases X52 et K102. ANNEXE "Restitution de la phase d'un signal par transformée de Fourier rapide récursive." Soit un signal y(t). Ce signal est échantillonné à une fréquence que l'on admet constante fe ; les différents instants d'échantillonnage vont donc s'écrire t = h (q = O, 1, 2 ...) et pour simplifier, le signal échantillonné s'écrira y(q). On veut déterminer la composante spectrale Y(fk) pour une fréquence fk. La formule de transformée de Fourier rapide donne pour M échantillons de y(n) en posant : k = tfke M et en écrivant pour simplifier Y(fk) - Y(k) d'où On remarque que Y(k) est un polynôme en puissance de W dont les coefficients sont les échantillons du signal re çu. On décompose Y(k) de façon à faire apparaître les différents échantillons de la suite y(O), y(1), ..., ..., y(M-1). On pose z(O) = y(0) Zq = zq-1 x W(k)-1 + y(q) e = 2k# (d'où : W(k) = e-j#) zq = vq - e-j#8 vq-1 Tous calculs faits, on en déduit vq = y(q) + 2 cos8 vq-l - vq-2 avec : v-1 = O et v-2 = O Y(k) = ej8 vM-l ~ vM-2 d'où l'argument de Y(k) et le module |Y(k)| = V2-1 + vM22 - 2cos8.vM-1.vM-2 On obtient finalement l'algorithme suivant - initialisation v-1 = O V-2 = O - à chaque échantillon reçu y(q) vq = y(q) + 2 cos(2k#) vq-1 - vq-2 (A-1) M - à la fin de la séquence d'observations REVENDICATIONS 1. Dispositif pour élaborer des informations, notamment des informations de radionavigation, avec indication de leur validité, dispositif comportant un premier récepteur prévu d'une part pour capter une onde qui est modulée par un signal basse fréquence formé de deux composantes fréquentielles différentes présentant entre elles une relation de phase prédéterminée et d'autre part pour restituer le signal basse fréquence à un circuit de traitement élaborant lesdites informations à partir de la différence de niveau desdites composantes contenues dans le signal basse fréquence restitué et ladite indication de validité à partir du niveau de chacune de ces mêmes composantes, caractérisé en ce que le circuit de traitement comprend un circuit d'estimation de phase pour établir la relation de phase entre les composantes du signal basse fréquence restitué, pour la vérifier par rapport à ladite relation de phase prédéterminée et pour fournir une indication d'invalidité pour une comparaison défavorable. 2. Dispositif pour élaborer des informations avec indication de leur validité selon la revendication 1, comportant un deuxième récepteur pour, d'une part, capter une autre onde qui est modulée par un autre signal basse fréquence formé de deux composantes fréquentielles différentes présentant entre elles une relation de phase prédéterminée et pour, d'autre part, restituer cet autre signal basse fréquence, caractérisé en ce que le circuit de traitement comporte un circuit d'interface pour multiplexer ce signal basse fréquence restitué et l'autre signal basse fréquence et pour le fournir sous forme numérique à un ensemble microprocesseur programmé - pour effectuer une transformée de Fourier sur les deux compo santes des deux signaux basse fréquence restitués, - pour effectuer une comparaison d'amplitude des différentes composantes, - pour effectuer une vérification de la relation de phase, - pour invalider l'information si les comparaison et vérifica tion sont défavorables. 3. Dispositif pour élaborer des informations avec indication de leur validité selon la revendication 2 dans lequel le circuit de traitement effectue des transformées de Fourier sur des séries d'échantillons réparties également dans le temps, caractérisé en ce que la vérification de la relation de phase consiste à comparer, à une valeur déterminable, l'écart de phase d'une même composante mesuré sur deux séries successives.