Brevet FR2701769A1 — publié le 19940826

RADIO-ALTIMETRE A RESONANCE AUTO-CALIBRATION / TEMPS REEL ROLE La présente invention concerne un système autonome de bord destiné à mesurer la hauteur vraie d'un avion par l'effet LARSEN. ETAT TECHNIQUE ANTERIEURE La mesure de la hauteur vraie d'un avion, pendant la phase d'approche (de zéro à 2500 pieds), est traditionnellement éffectuée à l'aide d'un radio-altimètre à modulation de fréquence. A savoir que la radiosonde à impulsions n'est pas utilisable en approche. Le radio-altimètre à deux défauts majeurs : une précision médiocre (+ ou - 1 pied) et un taux de fausses alarmes trop élevé. Ce dernier déclenche intempestivement le G.P.W.S. (Ground Proximity Warning System). Ces fausses alarmes nuisent à la confiance que les pilotes doivent accorder au système et qui doit être nécessairement absolue si l'on veut que le G.P.W.S. ait toute son efficacité. Par conséquent, ces fausses alarmes entraînent indirectement de nombreux accidents aériens, mettant en péril la vie des passagers et celle de l'équipage Pour résoudre ce grave handicap de système G.P.W.S. L'approche actuelle consiste à augmenter la puissance informatique de ce dernier. En effet, c'est une fuite en avant . Au lieu de traiter les symptômes, il vaut mieux traiter la racine du problème. C'est à dire, améliorer la performance des capteurs alimentant le système G.P.W.S. Le radio-altimètre est un capteur parmi d'autres, mais il arrive en tête au niveau de la hiérarchisation des alarmes. Améliorer la performance du radioaltimètre revient à améliorer la performance globale du système G.P.W.S., donc la sécurité aérienne. Le système, selon l'invention, permet de remédier à ces défauts. Il comporte, en effet, selon une première caractéristique , un émetteur hyperfréquence à V.C.O.., un récepteur hyperfréquence , deux boucles à verrouillage de phase à mémoire, un controleur/moniteur, une ligne à retard, trois aiguilleurs hyperfréquences et un calculateur. Grâce à sa conception unique, son mode de modulation et ses deux boucles à verrouillage de phase à mémoire, il élimine complètement les erreurs systématiques, diminue le taux de fausses alarmes, augmente la résolution (pouvoir de séparation) et donne une mesure quasiment absolue. A titre d'exemple, ce système, selon l'invention, donnerait un écart en fréquence de battement de l'ordre de 13 000 Hz et plus, pour 1 m. Selon des modes particuliers de réalisation : figure (1) - émetteur hyperfréquence(XMT) (4) à V.C.O., peut avoir une fréquence centrale de 4.3 GHz et avec une dynamique de 100MHz. - récepteur hyperfréquence(RCV) (3), peut comporter un amplifi cateur RF asservi en gain, un oscillateur local calé en fréquence FI plus bas que la fréquence d'émission, un amplificateur FI, un démodulateur, un amplificateur BF/HF et un modulateur. - deux boucles à verrouillage de phase(PLL)(l)/(PLL)(2), peuvent être capables de garder, en mémoire une fréquence d'entrée, au moins pendant 500 ms. - controleur/moniteur(SEQ) (5), peut être micro-processorisé et relié aux unités d'échange (coupleurs), pour lui permettre de commander tous les organes constituant le système, et d'enre gistrer des défaillances, dans une mémoire non-volatile, constatées pendant le vol. - ligne à retard(DLN) (6), peut être en cristal et peut introduire un retard de 0.5jus - chacun des trois aiguilleurs hyperfréquences (CPL)(10)/(CPL)(9)/(CPL)(8), peut avoir une entrée et deux sorties. Le signal d'entrée est aiguillé soit vers la première sortie, soit vers la deuxième sortie. Cela peut être accomplit grâce à une association d'un circulateur et d'une diode PIN. - calculateur(CAL)(7) de différence de période des deux signaux et de mesure de fréquence du troisième signal ( Signal de battement entre les deux premiers signaux) , peut comporter une boucle à verrouillage de phase hybride a-vec un diviseur de fréquence programmable. PRINCIPE Si le récepteur reçoit un signal, il coupe l'émission sinon, il établit l'émission. (*) L'émetteur (XMT) (4) émet vers le sol un signal électromagnétique en onde continue, à travers une ligne à retard (DLN)(6), jusqu'à ce que le récepteur (RCV)(3) reçoive le signal réfléchi par le sol. Dés que le récepteur reçoit ce signal, il coupe l'émission tant qu'il y aura un signal réfléchi et reçu par le récepteur. Dû à la ligne à retard (DLN) (6), il faut un certain temps pour que le front arrière du signal émis arrive au récepteur. Dés que ce dernier arrive au récepteur, le récepteur allume l'émetteur. Alors, on revient à l'étape de départ (*). Cela se passe dans une façon cyclique produisant un effet de résonance comme indiqué par la figure (2). Ce système a trois modes de fonctionnement a) Mode calibration = Le signal émis par l'émetteur(XMT) (4) est injecté directement dans le récepteur (RCV) (3) pour produire une fréquence de récurrence à résonance F1. F1 est mise en mémoire par une boucle à verrouillage de phase(PLL)(1). b) Mode mesure = Le signal émis par l'émetteur (XMT)(4) est dirigé vers le sol par une antenne d'émission. Ce signal est réfléchi par le sol vers l'antenne de réception (RCV) (3) pour produire une fréquence de récurrence F2. F2 est mise en mémoire par une boucle à verrouillage de phase (PLL) (2). c) Mode calcul = On mesure la période T1 de la fréquence F1 mise en mémoire par la boucle (PLL) (1). On mesure la période T2 de la fréquence F2 mise en mémoire par la boucle (PLL) (2). On calcule la différence (D) entre T1 et T2. Cette différence est proportionnelle à la distance parcourue par le signal entre le système et le sol. Et elle est indépendante retards intrinsèques du système. Ce système aura des capacités de saut en fréquence d'émission pour diminuer la possibilité des cibles fantômes, provoquées par des émetteurs voisins. Si R est le retard systématique de la chaîne d'émission, Z le retard systématique de la chaîne de réception, X la distance séparant le système de mesure de distance et le sol, V la vitesse du signal dans le milieu. Alors, T1 = 2R + 2Z T2 = 2R + 2Z + 4X/V D = T2 - T1 = 4X/V Conséquence, La hauteur mesurée est indépendante des dérivées intrinsèques du système, donc le système donnera une mesure quasiment absolue. REMARQUE IMPORTANTE CONCERNANT LA SECURITE : Pour que la boucle puisse se synchroniser, même un très court instant, sur un signal d'entrée, il faut que celui-ci soit, sinon périodique, du moins semblable à lui-même pendant un certain temps en fréquence. Or, par définition, les pointes de bruit ont un comportement erratique, et de ce fait ne pourront ainsi dire jamais verrouiller la boucle. De ce fait, un signal de fréquence f, pourvu que son niveau soit au moins égal à la sensibilité de la boucle, noyé dans le bruit, est récupéré à la sortie V.C.O. sans pratiquement aucun bruit. La boucle parvient ainsi à "repêcher" un signal perdu dans le bruit supérieur de 80db. En conséquence, ce système diminuera le taux de fausses alarmes. Ceci revient à dire que le G.P.W.S. ne sera plus déchanché intempestivement, donc le G.P.W.S. sera pris au sérieux par les pilotes. APPLICATION NUMERIQUE Si les retards intrinsèques = 0.5uS cela implique que T1 = luS soit Fl = 1MHz. Et si la distance entre le système et le sol (X) = lm alors T2 = luS + 4m/V = luS + 13nS T2 - T1 = 13nS En ce qui concerne la fréquence de battement entre F1 et F2j on a F1 - F2 = 13KHz Les radio-altimètres en service, à vitesse de modulation fixe, donnent un écart en fréquence de battement de l'ordre de 133 Hz pour un écart de distance d'l m. On voit bien ici, que selon l'invention, le radio-altimètre a une résolution qui est égale à 100 plus que les radioaltimètres actuels. Concernant la portée de l'altimètre, avec une puissance d'un watt la portée utile sera au moins de 3000 FEET, soit à peu près de 1000 mètres. Le temps alloué à chaque mode calibration, mesure et calcul sera adapté à l'altitude. Et pendant l'atterrissage la durée de verrouillage pendant le mode de mesure, sera extrêmement courte, car la puissance réfléchie sera plus élevée. Cela va dans le bon sens, parce-que pendant cette phase la cadence d'actualisation de données doit être assez élevée pour assurer un atterrissage en douceur. On connaît bien l'effet LARSEN. Des dispositifs actuels utilisant ce phénomène ont une génération d'impulsions de type radar. La fréquence de récurrence T = 2X/V comme indiquée dans la figure (3). a) Ces dispositifs ne tiennent pas comptent des dérivées intrinsèques. Et le rapport cyclique est très petit, diminuant ainsi le facteur de bruit, donnant une précision médiocre et une faible résolution. b) Le système radio-altimètre proposé, est un véritable oscillateur à l'effet LARSEN. Equipé de deux boucles de poursuite en fréquence, donnant ainsi une mesure quasiment absolue. Son grand rapport cyclique augmente le facteur de bruit, donc une sensibilité meilleure. Il est régit par une relation différente (T = 4X/V), doublant la résolution par rapport aux systèmes classiques à effet LARSEN. Et augmentant la résolution au moins 100 fois plus que la plus précise radiosonde actuellement envisageable. Une mise en oeuvre du système de mesure de distance différente constitue l'objet de la présente invention. APPLICATIONS INDUSTRIELLES 1) Système autonome de bord destiné à mesurer la hauteur vraie d'un avion ou d'un missile de croisière. 2) Fonction vision sol : "map painting ou mapping". Avoir une vision cartographique du sol en avant de l'avion afin d'éviter des montagnes en temps de mauvaise visibilité. 3) Système de TELE-DETECTION (Remote-Sensing) à basse altitude. N.s. : On peut réaliser un dispositif acoustique pour mesurer la distance en utilisant la même technique que celle utilisée dans le radio-altimètre. I1 suffit de remplacer la porteuse électro-magnétique avec une porteuse acoustique. Ensuite, adapter les autres organes aux fréquences beaucoup plus basses. ANNEXE 1) PLL1 = boucle à verrouillage de phase à mémoire. 2) PLL2 = deuxième boucle à mémoire. 3) RCV3 = récepteur + oscillateur local calé en fréquence FI plus bas que la fréquence d'émission. 4) XMT4 = émetteur hyperfréquence à V.C.O., fréquence centrale 4.3GHz. 5) SEQ4 = controleur et moniteur de mode de fonctionnement. 6) DLN6 = ligne à retard en cristal ou en câble. 7) CAL7 = calculateur de différence de période ou de mesure de fréquence de battement et affichage. 8) CPL8 = aiguilleur hyperfréquence, sélection entre entrée CPL9 et antenne de réception. 9) CPL9 = aiguilleur hyperfréquence, dirige le signal soit vers l'antenne d'émission ou vers le récepteur à travers CPL8. 10) CPL10 = aiguilleur hyperfréquence, dirige le signal soit vers la ligne à retard ou vers une charge 50 ohms. Donc, coupe l'émission ou établit l'émission vers la ligne à retard. En effet, c'est un modulateur. 11) ALMll = alimentation stabilisée pour alimenter les différents organes. Le controleur/moniteur SEQ5 sera réalisé à base de microprocesseur. I1 assurera les taches suivantes 1) Commander les différents organes pour effectuer les trois modes. 2) Monitorer ces organes en mesurant la puissance d'émission de l'émetteur XMT4, en mesurant le gain de récepteur RCV3, et en vérifiant que ; les boucles PLL1/2 et lroscillateur local sont verrouillés en phase. 3) I1 affichera la mesure éjectée, il indiquera la validité de la mesure et il enregistrera dans un mémoire non-volatile les pannes détectées pendant le vol. Pour CPL10/9, lorsque la diode PIN conduit, un court circuit est amené à la ligne, donc le signal est dirigé vers la sortie 2, sinon il est réfléchi vers la sortie 3. Pour CPL8, lorsque la diode PIN conduit le signal venant de l'antenne de réception, celui-ci ira directement au récepteur RCV3. Sinon l'antenne est inhibée. Et le signal venant de CPL9 est réfléchi par la sortie 2, et dirigé vers la sortie 3 (RCV3) REVENDICATIONS Un radio-altimètre caractérisé en ce qui comporte; a) émetteur hyperfréquence (ET)(4) à V.C.O. b) récepteur hyperfréquence (RCV)(3). c) boucles à verrouillage de phase CpLL)(1) et (PLL)(2). d) controleur 1 moniteur (SEQ)(5). e) ligne à retard (DLN)(6) f) aiguilleurs hyperfréquences (CPL)(10), (CPL)(9) et (CPL)(8). g) calculateur (CAL)(7).