Brevet FR2688068A1 — publié le 19930903

DISPOSITIF D'EMISSION A DEUX FREQUENCES AVEC DECALAGE DE PHASE DE LA MODULATION EN FREQUENCE AUDIO POUR UNE INSTALLATION D'ATTERRISSAGE AUX INSTRUMENTS L'invention concerne un dispositif d'émission à deux fréquences pour une installation d'atterrisage aux instruments définissant une trajectoire d'approche pour des avions atterris- sant, dispositif comportant deux émetteurs qui travaillent avec un faible décalage de leurs fréquences porteuses, qui, par l'intermédiaire d'un dispositif d'antenne présentant, pour chacun, deux signaux de fréquence audio ( 90 Hz, 150 Hz), différents, synchronisés entre eux, respectivement fournis décalés en phase aux émetteurs, émettent, en direction opposée à la direction d'approche, sur deux plages angulaires de largeur différente, se trouvant des deux côtés d'un plan contenant la trajectoire d'approche, une énergie haute fréquence modulée en amplitude, de façon telle que, sur la plage angulaire plus étroite, ce soit l'intensité de champ de l'un des émetteurs qui soit prépondé- rante et que sur le reste de la plage angulaire, plus large, ce soit l'intensité de champ de l'autre émetteur qui soit prépon- dérante, et que les signaux d'émission, modulés avec les diffé- rents signaux de fréquence audio, des deux émetteurs soient reçus, modulés, des deux côtés du plan avec un taux de modulation différent, dépendant de la direction d'émission et décroissant en direction du plan, étant précisé que c'est respectivement d'un côté du plan le taux de modulation de la première fréquence audio qui est prépondérant et, de l'autre côté du plan, le taux de modulation de l'autre fréquence audio, dispositif que l'on emploie dans un système d'atterrissage aux instruments, avant tout pour effectuer des atterrissages dits de catégorie III. Les installations d'atterrissage aux instruments à deux fréquences sont par exemple décrites dans le manuel "Funksysteme fur Ortung und Navigation/systèmes radio pour la localisation et la navigation" écrit par E Kramar, édité en 1973 par 1 Verlag Berliner Union Gmb H, Stuttgart et Verlag W Kohlhammer Gmb H, Stuttgart, Berlin, Cologne, Mayence, en particulier dans le paragraphe 5 9 2, pages 196 et suivantes. D'après cela, une installation d'atterrissage aux instruments à deux fréquences est constituée, du côté du sol, d'un dispositif d'émission -de route d'atterrissage pour amener un avion à un aéroport et pour le guider avec précision en azimut lors du processus d'atterrissage, d'un dispositif d'émission de la trajectoire d'alignement de descente pour guider verticalement l'avion jusqu'à ce qu'il se pose sur la piste d'atterrissage et de deux émetteurs de caractères d'approche pour lui transmettre une information grossière sur sa distance au sol Ici, le dispositif d'émissionderoute d'atterrissage est constitué d'au moins deux émetteurs distincts (système à deux fréquences) travaillant avec un faible décalage de leurs fréquences porteuses De préférence, le dispositif d'émission de trajectoire d'alignement de descente est également congu comme un tel système à deux fréquences. Selon les prescriptions de l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale (ICAO), dans le cas d'un dispositif d'émission de la route d'atterrissage a deux fréquences, l'un des émetteurs de la route d'atterrissage émet, sur la plage allant jusqu'à 35 des deux côtés de l'axe (prolongé) de la piste, un signal dit "à faisceau large" (Clearance) d'intensité minimale de champ prescrite, l'autre émet un signal de route (Course) à faisceau étroit en direction de l'axe de la piste d'atterrissage Les deux signaux sont légèrement décalés l'un par rapport à l'autre dans leur fréquence porteuse et sont chacun modulés avec deux fréquences audio ( 90 Hz, 150 Hz) Les fréquences audio employées pour la modulation sont égales pour le signal à faisceau large et pour le signal de route et sont habituellement en phase Le taux de modulation est tout d'abord identique pour les deux fréquences audio Les antennes employées pour l'émission sont toutefois étudiées pour que les champs de rayonnement apparaissant des deux côtés de l'axe contiennent dans une mesure plus élevée l'un ou l'autre fréquence de modulation, de sorte que, le long de l'axe de la piste d'atterrissage et de son prolongement, se forme un plan qui est placé verticalement dans l'espace et le long duquel les composantes de modulation des deux fréquences audio sont égales et donc leur différence nulle Des deux côté de ce plan, dans un récepteur, par comparaison des composantes de modulation, on peut obtenir un critère (DDM = Difference of Depth of Modulation/différence du taux de modulation) qui indique de quel côté du plan se trouve le récepteur, et qui, sur une petite plage angulaire proche de ce plan, indique en outre la distance a ce plan. La faible différence entre les fréquences porteuses du signal à faisceau large et du signal de route fait que dans le récepteur le signal incident respectivement le plus fort étouffe, plus que proportionnellement, le signal incident plus faible, ce que l'on appelle l'effet d'étouffement Le rapport des intensités de champ entre le signal à faisceau large et le signal de route est désigné sous le nom de "Capture-Ratio/ rapport d'étouffement" et, selon les prescriptions actuellement valables de l'Organisation de l'Aviation Civile Internationnelle, ne doit pas dépasser la valeur de 10 d B le long de l'axe de la piste d'atterrissage. L'effet d'étouffement permet de limiter l'émission du signal de cap sur une étroite plage angulaire, excempte d'obstacle, des deux côtés de l'axe et d'accroître suffisamment l'intensité de champ émise pour que soient supprimés les signaux parasites qui peuvent apparaître par exemple par réflexion du signal à faisceau large sur des obstacles se trouvant des deux côtés de la piste d'atterrissage Mais dans la pratique l'accroissement de puissance de l'émetteur du signal de route est limité par la technique de l'émetteur et par la nécessité d'éviter de gêner les systèmes d'atterrissage aux instruments des autres aéroports du fait des rayons d'action. Du fait de la mise en service de plus gros avions et de 1 la dimension des hangars qu'il faut installer pour de tels avions d'une part et du fait du manque de place, qui se présente fréquemment et qui oblige les concepteurs d'aéroport à placer les bâtiments assez près de la piste d'atterrissage, d'autre part, il n'est aujourd'hui plus possible, même dans le cas des installations de système d'atterrissage aux instruments à deux fréquences, d'exclure que les valeurs prescrites par l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale pour la catégorie III peuvent ne pas être respectées sur la piste d'atterrissage et qu'un aéroport éventuellement important peut ne pas être autorisé pour des atterrissages de la catégorie III. En principe des parasites peuvent également survenir par réflexion le long de la trajectoire d'alignement de descente. Si l'on utilise des dispositifs d'émission à deux fréquences pour définir la trajectoire d'alignement de descente, ici aussi, par exemple par suite de réflexions du signal, émis sur la plage angulaire plus large, en dessous d'un plan en élévation contenant la trajectoire d'alignement de descente, sur de grands obstacles, naturels ou artificiels se trouvant au sol, le rapport des intensités de champ nécessaire pour permettre l'utilisation de l'effet d'étouffement (Capture Ratio) peut s'abaisser suffisamment pour mettre en question une définition sûre de la trajectoire d'alignement de descente du fait des pertubations trop importantes du critère DDM. Pour améliorer la suppression des signaux réfléchis, il est proposé, par exemple dans le document GB-PS 1-062 551, page 2, colonne de droite, lignes 91 et suivantes, pour un dispositif d'émission de la route d'atterrissage, de placer en quadrature l'une de l'autre les fréquences audio identiques ( 90 Hz et 150 Hz), utilisées pour la modulation, du signal à faisceau large et du signal de route, c'est-à- dire de décaler leur phase de respectivement 90 l'une de l'autre. Mais un décalage de phase de ce type de respectivement + 90 ou également -90 s'opposerait aux prescriptions de 1 l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale qui, pour garantir le fonctionnement sans difficultés de types quelconques de récepteurs, exigent le passage commun des deux fréquences de modulation à la valeur zéro dans le même sens. Le but de l'invention est d'apporter un dispositif d'émission à deux fréquences amélioré qui soit insensible à l'égard de puissants parasites provenant de réflexions et qui remplisse les prescriptions qui s'y rapportent. Un dispositif tel que décrit au début et permettant d'atteindre le but de l'invention se caractérise par le fait que le décalage de phase entre les signaux de fréquence audio, de même fréquence, respectivement employés pour la modulation des signaux d'émission émis par les émetteurs est différent pour les deux fréquences audio et correspond à un décalage de phase prescrit d'une fréquence de base ( 30 Hz) commune aux deux fréquences audio différentes ( 90 Hz, 150 Hz). Grâce aux décalages différents des fréquences de modulation, en correspondance avec le décalage de phase d'une fréquence de base commune, on obtient, lors de l'emploi dans un dispositif d'émission de route d'atterrissage, dans la zone de l'axe de la piste d'atterrissage, la suppression des signaux à faisceau large réfléchis, et lors de l'emploi dans un dispositif d'émission de la trajectoire d'alignement de descente, la suppression correspondante des réflexions du signal de trajectoire d'alignement de descente, émis au voisinage du sol sur la plage angulaire plus large, le long de la trajectoire de descente, suppressions qui agissent chacune en outre en faveur de l'effet d'étouffement. De préférence, du fait que le décalage de phase prescrit de la fréquence de base commune est choisi de façon que l'influence du signal d'émission, modulé avec les signaux de fréquence audio décalés en phase, sur la différence (DDM) des taux de modulation, mesurés pour les deux fréquences audio, du signal d'émission modulé avec les signaux de fréquence audio laissés dans leur position de phase soit minimale, le déca- 1 lage de phase peut être optimisé, par exemple par mesure de l'influence parasite d'un signal d'émission modulé de cette façon avec des signaux de fréquence audio décalés en phase, avec modification simultanée du décalage de phase. Des mesures de ce type ont donné comme valeurs d'influence parasite minimale les décalages de phase de la fréquence de base commune valant 150, 500, 900, 130 ou 165 . Par rapport aux valeurs indiquées ci-dessus, les valeurs 15 ou 165 présentent en outre l'avantage qu'alors l'influence des écarts par rapport à l'angle de décalage de phase optimal prescrit est la plus faible possible. On décrit en détail ci-dessous l'invention à l'aide de deux figures sur l'exemple d'un dispositif d'émission de route d'atterrissage. La figure 1 représente un diagramme par blocs pour une structure de mesure de test. La figure 2 est la reproduction d'un résultat de mesure typique. La figure 1 représente schématiquement l'extrémité d'une piste d'atterrissage RW avec une antenne de réception de test TA placée sur l'axe CL de la piste d'atterrissage L'antenne de réception de test est reliée à un récepteur de test TE et a un appareil de traitement PL mis en circuit en aval de celui- ci Un peu à part de l'extrémité de la piste d'atterrissage est représentée une antenne LA pour l'émetteur de route d'atterrissage d'une installation d'atterrissage aux instruments à deux fréquences qui ici en s'écartant du type habituel d'alimentation est alimentée par deux dispositifs d'émission distincts Si, 52, l'un des dispositifs d'émission fournissant un signal de route K, et l'autre fournissant le signal à faisceau large R. L'orientation du rayonnement de l'antenne KR pour le signal de route à faisceau étroit se fait dans la direction de l'axe de la piste d'atterrissage Le signal à faisceau large (Clearance) est émis dans un angle plus large (par exemple 350 1 des deux côtés de l'axe de la piste d'atterrissage) et, conformément à une flèche RR de la direction du signal à faisceau large, représentée sur la figure, une partie de l'énergie se réfléchit sur un hangar H, qui se trouve au voisinage de la piste d'atterrissage, pour revenir en direction de l'axe de la piste d'atterrissage Une partie du signal à faisceau large est également directement émise dans la direction KR. Du fait d'une faible différence, existant dans le cas d'une installation d'atterrissage aux instruments à deux fréquences, des fréquences porteuses de l'émetteur de route et de l'émetteur à faisceau large, et du fait de l'intensité de champ de l'émetteur de route, plus élevée selon l'axe de la piste d'atterrissage, que celle de l'émetteur à faisceau large, il se produit ici dans le cas normal l'effet dit d'étouffement qui opère une suppression presque complète du signal à faisceau large par le signal de route. Mais il est maintenant apparu que, dans des cas extrêmes par exemple dans le cas de réflexions du signal à faisceau large sur d'importants bâtiments érigés en métal, ou sur de gros avions garés au voisinage de la piste d'atterrissage - peuvent apparaître des superpositions de composantes émises directement et réfléchies du signal à faisceau large qui, dans ces zones de superposition, détériorent suffisamment le rapport d'étouffement, prescrit par ailleurs, c'est-à-dire le rapport des intensités de champ entre le signal à faisceau large et le signal de route, pour que l'étouffement du signal à faisceau large par l'effet d'étouffement ne suffise pas pour garantir la définition d'une route d'atterrisage stable le long de l'axe de la piste d'atterrissage Bien plutôt on en arrive à des pertubations qui sont apportées par le signal à faisceau large au signal de route et qui provoquent un affaiblissement ou un renforcement de l'une des composantes du signal de route par rapport à l'autre et donc, après démodulation, provoquent une modification du taux de modulation de l'une des fréquences audio par rapport à celui de l'autre fréquence audio 1 (pertubation DDM) Au lieu d'une route d'atterrissage rectiligne et stable, on transmet alors aux avions une ligne de route pertubée qui, dans le cas de mauvaises conditions de visibilité, n'autorise pas un atterrissage correspondant aux prescriptions de l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale. Les inventeurs ont maitenant découvert qu'avec un décalage de phase des signaux de fréquence audio employés pour la modulation de l'émetteur du signal à faisceau large par rapport aux signaux de fréquence audio, respectivement identiques, employés pour la modulation de l'émetteur de route, on peut fortement réduire ces pertubations de la ligne de route Mais le décalage de phase doit y être différent pour chaque fréquence audio ( 90 Hz et 150 Hz) et correspondre au même angle de phase d'une fréquence de base commune ( 30 Hz) des deux fréquences audio Par exemple, un décalage de phase de la fréquence de base de 30 Hz de 150 correspond, pour un système à_ fréquences audio de 90 Hz et 150 Hz, a un décalage de phase de 45 de la fréquence audio de 90 Hz et à un décalage de phase de 75 de la fréquence audio de 150 Hz. La figure 2 reproduit, pour une telle installation d'atterrissage aux instruments à deux fréquences, les distorsions, mesurables 'à une position de l'axe de la piste d'atterrissage, de la route d'atterrissage (pertubations ADDM de la différence du taux de modulation) en fonction du décalage de phase t 30 de la fréquence de base de 30 Hz pour un rapport d'intensité de champ (rapport d'étouffement) de 10 d B et pour une valeur de base DDM de 200 r A pour le signal à faisceau large. Pour prescrire les décalages de phase nécessaires pour les fréquences audio de 90 Hz et 150 Hz, des modulateurs, existant dans les deux dispositifs d'émission 51, 52 et travaillant en numérique, ont été toujours pilotés, de façon connue en soi, de façon qu'apparaissent, pour les deux fréquences audio, les décalages de phase ( 2 X Y 30 et 5 X '30) correspondant au décalage de phase justement désiré de la fréquence de base Bien entendu, les décalages de phase des deux fréquences audio peuvent 1 également s'obtenir lors de l'emploi d'un unique dispositif d'émission Il suffit pour cela d'abandonner le couplage rigide, existant dans les dispositifs d'émission actuellement disponibles, travaillant sans décalage de phase, entre les signaux, de même fréquence audio, employés pour la modulation du signal à faisceau large et du signal de route et les deux signaux de fréquence audio doivent être séparément préparés avec le décalage de phase désiré. On peut voir maintenant sur la figure 2 que les pertubations DDM (courbe de mesure M) -prennent selon chaque fois le décalage de phase de la fréquence de base, des valeurs différentes et plusieurs fois aussi la valeur zéro Les positions de valeur zéro de la courbe de mesure s'y trouvent par exemple pour environ 15, 50, 90, 130, 165 degrés. En ces positions de valeur zéro, les pertubations DDM, provoquées par des réflexions extrêmes du signal à faisceau large, se réduisent à des valeurs qui se situent loin en dessous de valeurs limites prescrites par l'Organisation de l'Aviation Civile Internationale ( 5 p A sur la piste d'atterrissage) pour les atterrissages dits de catégorie III. On peut voir également sur la figure 2 que, pour des décalages de phase correspondant à 150 et 165 de la fréquence de base 30 Hz, la courbe de mesure passe par zéro avec une pente plus faible qu'aux autres positions de valeur zéro Des écarts par rapport au décalage de phase prescrit, tels qu'ils peuvent par exemple survenir du fait de faibles pertubations de l'allure synchrone et des tolérances des modulateurs, conduisent en ces positions à une moindre croissance des pertubations DDM qu'aux positions o la courbe de mesure passe par la valeur zéro avec une pente plus forte La plus grande sensibilité à la tolérance apparaîtrait pour t 3 O 90 . Un décalage de phase correspondant à un angle, indiqué ci-dessus et reproduisant les positions de valeur zéro de la pertubation, de la fréquence de base rend inutiles beaucoup des mesures aujourd'hui possibles pour supprimer les pertu- 1 bations, pour la plupart coûteuses ou liées à des inconvénients d'autre sorte, et présente toute une série d'avantages supplé- mentaires: c'est ainsi que l'on peut toujours renoncer à une diminution de la puissance d'émission pour accroître le rapport d'étouffement ou à une réduction de la différence du taux de modulation DDM pour le signal à faisceau large De même est possible une élévation de la valeur minimale de la différence du taux de modulation DDM pour le signal à faisceau large sans que croisse le risque de pertubations DDM non tolérables du signal de route. Il n'est plus nécessaire d'avoir une réalisation particulière, adaptée aux conditions locales, des antennes d'émission Du fait de la puissance d'émission plus élevée possible du signal à faisceau large, on obtient également une meilleure portée du signal à faisceau large dans les minima d'interférence résultant des réflexions en champ lointain Les pertubations DDM (coupures DDM) sont également supprimées dans le champ lointain de l'émetteur du signal à faisceau large du fait de l'accroissement possible de la différence du taux de modulation DDM du signal à faisceau large. il R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif d'émission à deux fréquences pour une installation d'atterrissage aux instruments définissant une trajectoire d'approche pour des avions atterrissant, dispositif comportant deux émetteurs (Si, 52) qui travaillent avec un faible décalage de leurs fréquences porteuses, qui, par l'inter- médiaire d'un dispositif d'antenne (LA) présentant, pour chacun, deux signaux de fréquence audio ( 90 Hz, 150 Hz), différents, synchronisés entre eux, respectivement fournis décalés en phase aux émetteurs, émettent, en direction opposée à la direction d'approche, sur deux plages angulaires de largeur différente, se trouvant des deux côtés d'un plan contenant la trajectoire d'approche, une énergie haute fréquence modulée en amplitude, de façon telle que, sur la plage angulaire plus étroite, ce soit l'intensité de champ de l'un (Si) des émetteurs qui soit prépondérante et que sur le reste de la plage angulaire, plus large, ce soit l'intensité de champ de l'autre émetteur ( 52) qui soit prépondérante, et que les signaux d'émission, modulés avec les différents signaux de fréquence audio, des deux émetteurs soient reçus, modulés, des deux côtés du plan avec un taux de modulation différent, dépendant de la direction d'émission et décroissant en direction du plan, étant précisé que c'est respectivement d'un côté du plan le taux de modulation de la première fréquence audio qui est prépondérant et, de ltautre côtédu plan 4 le taux de modulation de l'autre fréquence audio, dispositif caractérisé par le fait que le décalage de phase entre les signaux de fréquence audio, de même fréquence, respectivement employés pour la modulation des signaux d'émission (K, R) émis par les émetteurs est différent pour les deux fréquences audio et correspond à un décalage de phase prescrit (t'3 O) d'une fréquence de base ( 30 Hz) commune aux deux fréquences audio différentes ( 90 Hz, 150 Hz). 2 Dispositif d'émission à deux fréquences selon la 1 revendication 1, caractérisé par le fait que le décalage de phase prescrit de la fréquence de base commune est choisi de façon que l'influence du signal d'émission, modulé avec les signaux de fréquence audio décalés en phase, sur la différence (DDM) des taux de modulation, mesurés pour les deux fréquences audio, du signal d'émission modulé avec les signaux de fréquence audio laissés dans leur position de phase, soit minimale. 3 Dispositif d'émission à deux fréquences selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le décalage de phase prescrit de la fréquence de base commune vaut + 1550 500, 900, 1300, ou 1650. 4 Dispositif d'émission à deux fréquences selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le décalage de phase prescrit de la fréquence de base commune vaut 150, ou 165 .