Brevet FR2897948A1 — publié le 20070831

SYSTEME D'AIDE A L'ATTERRISSAGE PAR ALIGNEMENT SUR REPONDEURS HYPERFR.EQUENCES La présente invention a pour objet un système d'aide à l'atterrissage, utilisant l'alignement sur des répondeurs capables de moduler de façon prédéfinie l'onde hyperfréquence qu'ils reçoivent. Différents systèmes d'aide à l'atterrissage sont connus, tels que ILS (Instrument Landing System ou système d'atterrissage aux instruments) ou, plus récemment, MLS (Microwave Landing System ou système d'atterrissage micro- onde) mais ils ont l'inconvénient de nécessiter en général une infrastructure (antennes, émetteurs, récepteurs et traitements de l'information) au sol et à bord de l'avion, qui est à la fois spécifique et complexe. La présente invention a pour objet un système d'aide à l'atterrissage qui ne nécessite que des dispositifs soit, à bord de l'avion, existant déjà soit, au sol, simples et susceptibles d'être rapidement mis en place. A cet effet, l'invention utilise une pluralité de répondeurs hyperfréquences, disposés autour de la piste d'atterrissage. Chacun des répondeurs est capable, à réception d'une onde hyperfréquence émise par l'avion, de la moduler en phase selon deux états, sensiblement 0 et ô, et, ce, selon une périodicité qui lui est propre. L'avion ayant connaissance, pour chaque répondeur, de sa situation par rapport à la piste et de sa fréquence de modulation, en déduit sa trajectoire vers l'entrée de piste. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent : - la figure 1, le schéma du principe du système selon l'invention ; les figures 2a et 2b, deux modes de réalisation d'une balise utilisée dans le système selon l'invention ; les figures 3a, 3b et 3c, différents schémas relatifs à un répondeur utilisé dans une balise des figures précédentes ; - la figure 4, un diagramme illustrant le fonctionnement du répondeur précédent dans le système selon l'invention ; - la figure 5, le schéma d'un mode de réalisation des moyens de commande des balises utilisées dans le système selon l'invention ; - les figures 6 et 7, un organigramme et un schéma illustrant un mode de fonctionnement du système selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 illustre donc schématiquement le principe 25 du système selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté un avion A en phase d'approche et une piste d'atterrissage P, dont l'axe longitudinal est repéré 11 et le seuil, ou entrée, de piste 14. L'avion A est équipé d'un radar, multifonction ou météo par exemple ; 30 on a repéré par FR la trace (hachurée) du faisceau émis par le radar de l'avion, qui éclaire le sol et est capable de balayer ce dernier (flèche 12). Autour de la piste sont disposées un certain nombre de balises B décrites ci-après ; dans l'exemple illustré, on a disposé deux balises au niveau du seuil de piste 14, de part et d'autre de la piste P, deux autres 20 balises également de part et d'autre de la piste mais au voisinage de l'extrémité de celle-ci, et, enfin une cinquième balise dans l'axe 11, en bout de piste. Selon l'invention, le radar de l'avion éclaire les 5 divers réflecteurs constituant les balises, qui lui renvoient chacun l'énergie qu'ils ont reçue, modulée d'une façon qui les caractérise. L'avion effectue systématiquement des mesures d'angles et de distances relatifs avion-balises. De ces mesures, il déduit sa position par rapport à la piste, tant dans le plan horizontal que dans le plan vertical, jusqu'au toucher des roues. Pendant le roulage, le pilote dispose encore d'un guidage vers l'extrémité de piste et connaît à chaque instant la distance qu'il peut encore parcourir. Les figures 2a et 2b représentent respectivement deux modes de réalisation d'une balise B. Les balises utilisées dans le système selon l'invention sont constituées chacune par l'association d'un ensemble de répondeurs élémentaires, ces répondeurs étant en 20 forme de trièdres sensiblement trirectangles et agencés pour obtenir une couverture sensiblement omnidirectionnelle de l'espace. Dans le mode de réalisation de la figure 2a, chacune des faces F d'un trièdre élémentaire T est en forme de triangle rectangle isocèle. L'association de dix trièdres élémentaires T est nécessaire ici pour avoir une couverture sensiblement omnidirectionnelle. La figure 2b représente un autre mode de réalisation dans lequel les trièdres élémentaires T ont des faces sensiblement carrés ; leurs faces F sont disposées dos à dos de sorte qu'un ensemble de huit trièdres ait une couverture sensiblement omnidirectionnelle, l'espace étant divisé ainsi en quatre quadrants (un quadrant étant couvert par deux trièdres) ; cette balise est dite cardinale. 10 15 25 30 25 30 Les figures 3a, 3b et 3c sont des schémas illustrant un mode de réalisation d'un trièdre élémentaire T utilisé dans une balise B du système selon l'invention. Sur la figure 3a, on a représenté schématiquement en perspective un mode de réalisation d'un trièdre T qui est celui qui est utilisé dans la balise de la figure 2b. Les trois faces du trièdre, disposées sensiblement normalement les unes aux autres, sont repérées F1, F2 et F3. Selon la propriété bien connue des trièdres trirectangles, un rayon frappant l'une des faces du trièdre est, après réflexions, renvoyé dans une direction parallèle à la direction du rayonnement incident. Chaque face F1-F3 est formée par deux éléments sensiblement plans, disposés parallèlement l'un à l'autre à une distance d. Le premier élément, repéré R1 pour la face F1, est une surface réflectrice, aussi appelée réflecteur. Le deuxième élément, P1 pour la face F1, est un panneau dont un mode de réalisation est décrit figure 3b. Ce panneau P est constitué par un substrat isolant 30 20 sur une première face 31 duquel est disposée une première nappe de fils parallèles, repérés fi et distants d'une distance dl. Chacun des fils fi porte un ou plusieurs éléments semi-conducteurs Dl, diodes par exemple, connectés tous dans le même sens. Dans un mode de réalisation préféré, l'autre face du panneau P porte une deuxième nappe de fils, repérés f2 et illustrés en pointillés, également parallèles et équidistants, disposés à un pas d2. De la même manière, les fils f2 portent chacun un ou plusieurs éléments semi-conducteurs D2, diodes par exemple, connectés tous dans le même sens. Les fils f2 sont sensiblement normaux aux fils f1. La figure 3c représente un mode de réalisation pratique du panneau P de la figure précédente. 10 15 Selon cette réalisation, le panneau est constitué à partir du substrat isolant 30, dans lequel on a réalisé des trous pour disposer les diodes D1 et D2. Des disques conducteurs 33, ou pastilles, disposés sur les fils f1 et f2 ou les remplaçant comme illustré sur la figure, sont réalisés sur l'une des faces du substrat 30, de sorte à interconnecter les diodes D1 et D2 selon deux nappes orthogonales. Pour la clarté du dessin, les disques conducteurs sont hachurés, bien que non vus en coupe. Des fils conducteurs tels que 34, en bas du schéma, assurent la polarisation des diodes. Il apparaît que les deux nappes de fils distincts de la figure 3b sont ici interconnectées et les diodes D1 et D2 commandées simultanément. Les pastilles 33 ont pour fonction de réaliser l'adaptation d'impédance du panneau. Il est à noter qu'elles sont représentées sous forme de disques circulaires mais qu'elles peuvent avoir des formes différentes (anneaux, surfaces présentant des découpages, etc...), une telle forme étant alors déterminée expérimentalement en vue d'améliorer l'adaptation d'impédance du panneau, de même que le diamètre des pastilles. L'adaptation du panneau peut être complétée, en tant que besoin, par d'autres motifs conducteurs, disposés entre les pastilles 33. Le fonctionnement du répondeur est lié au fait que le panneau P possède lui-même deux modes de fonctionnement : - dans un premier mode, lorsque les éléments semi-conducteurs sont dans un premier état, état passant par exemple (diodes polarisées en direct par des courants importants, proches de la saturation), les caractéristiques électriques et géométriques du panneau (caractéristiques et pas des diodes, dimensions et pas des fils ou des pastilles...) sont choisies pour que celui-ci soit transparent ; -dans un deuxième mode, lorsque les éléments semi-conducteurs sont dans un deuxième état, état bloqué par exemple (diodes polarisées en inverse), le panneau devient réfléchissant. De la sorte, une onde hyperfréquence incidente est réfléchie, sur une face F du trièdre : - soit par un panneau P si celui-ci est commandé de sorte à être dans son deuxième mode ; - soit par le réflecteur R associé si le panneau est commandé de sorte à être dans son premier mode. Le panneau P et le réflecteur R étant distants de d = ), /4 ( , étant la longueur d'onde de l'onde hyperfréquence incidente), lorsque l'onde incidente est normale à la face du trièdre, on voit qu'il existe un déphasage relatif de 180 pour l'onde réfléchie entre les deux modes du panneau P. Il est à noter que lorsque l'onde incidente n'est pas normale à la face du trièdre, l'allongement du trajet de l'onde entre les éléments P et R est sensiblement compensée par la variation de la susceptance du panneau P avec l'incidence, de sorte que le déphasage obtenu reste de l'ordre de ô. Il est à noter également que l'espace panneau P-réflecteur R peut être rempli par une substance diélectrique, ayant notamment une fonction de support mécanique ; la distance d est alors, ainsi qu'il est connu, à corriger d'un facteur Ce répondeur permet ainsi de faire varier la phase de l'onde réfléchie par le répondeur, par commande de l'état des diodes du panneau de l'une des faces. Il est de la sorte possible de moduler l'onde réfléchie et par suite de transmettre une information de reconnaissance du répondeur. Le répondeur peut ne comporter qu'un seul panneau P et non trois, comme représenté sur les figures, les autres faces ne comportant alors que le réflecteur R. Cette solution présente l'avantage d'être économique mais l'inconvénient d'avoir une efficacité limitée. Lorsque le répondeur comporte trois panneaux P, ceux-ci doivent bien entendu être commandés en synchronisme. Par ailleurs, le mode de réalisation du panneau P comportant deux réseaux orthogonaux de fils à diodes est 5 10 15 20 25 30 préféré lorsque la polarisation de l'onde incidente n'est pas connue : en effet, un tel panneau a alors un comportement indépendant de la direction de la polarisation de l'onde. La figure 4 est un diagramme illustrant le fonctionnement du répondeur décrit ci-dessus. Sur ce diagramme, on a représenté la réponse du répondeur, en fonction de la fréquence (F) de l'onde incidente, répondeur dont les diodes sont commandées alternativement de l'état passant à l'état bloqué avec une fréquence f et qui est éclairé par un faisceau radar de fréquence porteuse Fo. Ainsi qu'il a été expliqué plus haut, cette commande alternative des diodes a pour effet de moduler en phase l'onde hyperfréquence reçue. La courbe de réponse présente donc un premier pic 41 à la fréquence Fo de l'onde incidente, puis des pics 42 et 43 de part et d'autre du pic 41 et distants de ce dernier de la fréquence f, puis un ensemble de pics équidistants de f et d'amplitude globalement décroissante lorsqu'on s'éloigne de la fréquence Fo. La figure 5 est un schéma d'un mode de réalisation des moyens de commande des balises utilisées dans le système selon l'invention. Ces moyens de commande comportent un générateur de courants 53 qui est relié, d'une part, à un dispositif d'alimentation 55 et d'autre part, à un microcontrôleur 52 ; il a pour fonction de fournir à une balise B les courants (modulés) nécessaires à son fonctionnement. Dans le cas où on utilise une balise cardinale comme celle décrite figure 2b, il est avantageux, comme il sera exposé plus loin, d'alimenter celle-ci avec quatre courants distincts modulés à quatre fréquences distinctes. Le générateur de courants 53 peut être réalisé par tout moyen, par exemple par un dispositif connu sous le nom de "driver", à diodes PIN. Le microcontrôleur 52 a pour fonction de fournir au générateur de courants 53 les caractéristiques des courants à émettre, à savoir formes d'onde (fonction sinusoïdale, fonction créneaux...), fréquences de modulation, le cas échéant séquences de modulation (permettant de programmer la balise dans le temps), le tout à partir d'une horloge 51. Le microcontrôleur est constitué, classiquement, d'un microprocesseur et des mémoires qui sont nécessaires à son fonctionnement. La figure 6 est un organigramme illustrant un mode de fonctionnement du système selon l'invention et sera décrite en liaison avec la figure 7, qui est une vue schématique de dessus reprenant l'implantation des balises autour de la piste P. Dans l'exemple d'implantation des balises donné sur la figure 7, on dispose d'une balise BR, dite de ralliement, disposée en bout de piste, sur l'axe 11 de celle-ci. La balise BR est par exemple du type cardinal (figure 2b), divisant l'espace en quatre quadrants. Les deux trièdres élémentaires d'un même quadrant voient leurs diodes alimentées avec un signal à même fréquence : la balise est donc alimentée par quatre courants ayant respectivement quatre fréquences distinctes, notées F'1, F'2, F'3 et F'4. La balise BR est orientée de sorte que l'axe de la piste soit la bissectrice de l'un des quadrants, par exemple celui fonctionnant à la fréquence F' 1. Cette balise de ralliement BR est utilisée dans la première phase, dite phase d'approche, repérée 3 sur la figure 6. La première étape, repérée 31, de cette phase consiste pour l'avion à rechercher la balise BR. Pour ce faire, le radar de l'avion émet un faisceau d'énergie de fréquence Fo qui balaie le sol. Il cherche à détecter l'une des fréquences de modulation (F'1.... F'4) de la balise BR. Ceci est fait classiquement à bord de l'avion par sélection (par filtrage) de 5 10 15 20 25 30 l'une des fréquences FD F'I (avec i compris entre 1 et 4) réfléchie par la balise BR. L'avion, connaissant l'affectation des fréquences aux différents quadrants, peut ainsi corriger sa trajectoire pour être situé dans le bon quadrant en fonction de sa provenance : c'est la deuxième étape (32) de la phase d'approche. Le système selon l'invention comporte dans ce mode de réalisation quatre autres balises, dites d'alignement : deux balises (BAI et BA2) sont disposées symétriquement de part et d'autre de la piste P au niveau du seuil de piste 14, et deux autres balises (BA3 et BA4) sont disposées également symétriquement par rapport à la piste, de préférence dans l'alignement des balises BAI et BA2, sur une ligne 12 quelconque située entre l'entrée et l'extrémité de la piste, de préférence à une certaine distance de l'axe 14. Chacune de ces balises d'alignement BA est également alimentée par quatre courants caractérisés par une fréquence distincte, notées FI, F2, F3, F4 et identiques pour les quatre balises. Elles sont également configurées de sorte à diviser l'espace chacune en quatre quadrants et, plus précisément, de sorte qu'un plan séparant les quadrants soit parallèle à la piste ; enfin, elles sont disposées de sorte qu'un avion venant d'une direction donnée reçoive les mêmes fréquences de modulation pour l'ensemble des balises d'alignement BA. La deuxième phase du fonctionnement du système selon l'invention, dite phase d'alignement (2), utilise les balises BAI. Elle consiste pour l'avion, dans une première étape (21), à rechercher les fréquences FI et F4 tout en conservant de préférence la fréquence Fil. Dans une deuxième étape (22, figure 6), le radar de l'avion, balayant le sol en gisement, détermine les angles sous lesquels il voit chacune des fréquences ainsi que les distances qui le séparent des balises responsables de ces modulations, essentiellement des balises BAI et BA2 ; sachant que les balises BAI et BA2 sont disposées sur la ligne d'entrée de piste et connaissant la répartition spatiale des fréquences F1-F4, il en déduit, par triangulation, sa position par rapport à ces balises. En principe, pour la phase d'alignement, seules les 5 deux balises BAI et BA2 sont strictement nécessaires toutefois, les deux autres balises BA3 et BA4 sont nécessaires dans le cas (fréquent) où l'avion ne pose pas ses roues dès le seuil de piste ; en outre, la conservation de la fréquence F'1 de la balise de ralliement BR permet au pilote 10 de disposer d'une information sur la distance le séparant de l'extrémité de la piste. A titre d'exemple, un tel système peut être réalisé avec les valeurs suivantes : la balise de ralliement BR ayant une surface équivalente radar de l'ordre de 2 m2, la phase 15 d'approche peut débuter à environ 15 km de la piste ; les balises d'alignement BA étant utilisées en phase plus rapprochée, elles peuvent avoir une surface équivalente plus faible, par exemple environ 1 m2, être distantes de la piste d'environ 150 m et distantes entre elles (distance des axes 20 12-14) de 600 m et la phase d'alignement commencer à environ 6 km de la piste ; ces distances sont déterminées en fonction notamment des valeurs usuelles de pouvoir de discrimination angulaire des radars aéroportés. 25 Le système selon l'invention permet donc de guider un avion à l'atterrissage avec des moyens très légers, typiquement un ensemble de quelques balises susceptibles d'être disposées très rapidement autour d'une piste d'atterrissage, la seule contrainte étant l'information des avions quant aux fréquences 30 de modulation choisies et leur répartition spatiale, et une infrastructure minimum au sol, consistant en des circuits de commande des diodes des répondeurs. En outre, ce système est peu perturbé par les réflexions parasites, typiquement les échos de sol, qui sont particulièrement importants du fait des installations d'aérodrome : en effet, la modulation induite par5 les balises permet de distinguer aisément le signal qu'elles renvoient d'un écho de sol qui, lui, ne présente pas cette modulation. Ce type de système peut être utilisé pour guider l'atterrissage de tout aéronef équipé d'un radar, typiquement avion ou hélicoptère, sur une piste de fortune, dépourvue des moyens habituels d'aide à l'atterrissage. 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS 1. Système d'aide à l'atterrissage d'un aéronef sur une piste, caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de balises, disposées au voisinage de la piste, chaque balise comportant une pluralité de répondeurs hyperfréquences, chaque répondeur étant capable de réfléchir une onde hyperfréquence, émise par l'aéronef, en la modulant en phase selon deux états et à une fréquence caractéristique du répondeur, les positions par rapport à la piste et les fréquences des répondeurs étant connues de l'aéronef et celui-ci déduisant des réponses modulées qu'il reçoit sa trajectoire vers l'entrée de piste. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une balise dite de ralliement (BR), disposée au voisinage de l'extrémité de la piste, sensiblement dans l'axe de cette dernière, que cette balise est du type cardinal, chacun des quadrants étant caractérisé par une fréquence distincte (F'1. .. F'4) . 3. Système selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la balise de ralliement (BR) est disposée de sorte que l'axe (11) de la piste (P) soit sensiblement bissectrice de l'un des quadrants. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte deux balises dites d'alignement (BAI, BA2), disposées sensiblement au niveau de l'entrée (14) de piste (P), sensiblement symétriquement de part et d'autre de celle-ci, et que ces balises sont du type cardinal, chacun des quadrants étant caractérisé par une fréquence distincte (F1... F4) mais la même fréquence pour les quadrants homologues de toutes les balises d'alignement. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre deux autres balises d'alignement (BA3 et BA4), disposées symétriquement par rapport à la piste, sur un axe situé entre l'entrée et l'extrémité de piste, et que ces balises (BA3, BA4) sont du type cardinal, orientées comme les deux premières (BAl, BA2) et caractérisées par les mêmes fréquences. 6. Système selon l'une des revendications 4 ou 5, 10 caractérisé par le fait que les balises d'alignement (BAl... BA4) sont disposées de sorte qu'un plan séparant les quadrants soit sensiblement parallèle à l'axe (11) de la piste. 7. Système selon les revendications 2 et 4, 15 caractérisé par le fait que la surface équivalente radar de la balise de ralliement (BR) est supérieure à celle des balises d'alignement (BA1... BA4)