Brevet FR3157356A1 — publié le 20250627

Système d’aide à l’atterrissage Ce système (10) comporte, au sol, une balise (12) et, embarqué par un aéronef (4), un dispositif (14), la balise comportant : une première unité (26) d’émission d’un signal optique montant (Sm) ; une unité (22) pour pointer le signal optique montant sur le dispositif et mesurer des angles de la direction de pointage ; une unité de télémétrie (24) pour mesurer une distance (D) entre la balise et le dispositif ; une unité (23) de calcul d’une position spatiale de l’aéronef à partir de la distance et des angles ; et, une première unité (25) pour moduler le signal optique montant en fonction de la position spatiale de l’aéronef, le dispositif comportant : une seconde unité de réception (48) pour recevoir le signal optique montant ; et une seconde unité de démodulation (47) pour extraire du signal optique montant la position spatiale de l’aéronef afin de piloter ce dernier. Figure pour l'abrégé : Figure 2 Système d’aide à l’atterrissage La présente invention concerne les systèmes d’aide à l’atterrissage pour un aéronef. Les systèmes d’aide à l’atterrissage de l’état de la technique sont fondés sur l’emploi de moyens radiofréquences - RF. C’est le cas notamment des systèmes ILS (« Instrument Landing System » ou système d’atterrissage aux instruments), qui sont installés sur tous les aérodromes permettant un atterrissage de précision, relevant de la catégorie d’exploitation CAT 3B. De tels systèmes ILS permettent en général aux avions d’approcher la piste et, en fonction du classement de cet aérodrome, d’atterrir en étant guidé depuis le sol sur l’axe de la piste. Un système ILS comporte, au sol, deux émetteurs dénommés respectivement « localizer » (ou émetteur de localisation) et « glide » (ou émetteur de descente) pour définir respectivement l’axe de la piste et l’axe de descente. Un système ILS comporte, à bord de l’aéronef, un récepteur ILS permettant de recevoir les signaux émis par les deux émetteurs au sol. De préférence, ce récepteur ILS embarqué est complémenté par un radioaltimètre pour la mesure de la hauteur entre l’aéronef et le sol. Les systèmes d’aide à l’atterrissage du type MLS (« Microwave Landing System » ou système d’atterrissage hyperfréquence) constituent une évolution aux systèmes ILS. Or, ces systèmes ILS et MLS, fondés sur l’utilisation de signaux RF, sont susceptibles d’être perturbés, par exemple par des réseaux de communication cellulaires, ou encore par des sources RF occasionnant, involontairement ou non, un parasitage. De plus, dans un milieu urbain, la réflexion des signaux RF sur les immeubles est préjudiciable, par exemple en créant de faux axes de piste. Par ailleurs, il est prévu une explosion de l’utilisation des aéronefs autonomes en particulier en milieu urbain, comme des drones pour des applications diverses, comme celles de transport de passagers, de livraison de colis, de surveillance. Selon les utilisations envisagées, ces drones doivent pouvoir atterrir en dehors des aérodromes existants, comme sur le toit d’un immeuble. Il n’est pas envisageable d’équiper de telles zones d’atterrissage de systèmes ILS, qui restent complexes à déployer et couteux à exploiter. L’invention a donc pour but de répondre à ce problème en proposant notamment un système d’aide à l’atterrissage permettant de se dispenser de signaux RF. Pour cela, l’invention a pour objet un système d’aide à l’atterrissage comportant, au sol, une balise et, embarqué à bord d’un aéronef, un dispositif embarqué, le système d’aide à l’atterrissage étant caractérisé en ce que : la balise comporte : une première unité d’émission, pour émettre un signal optique montant de la balise vers le dispositif embarqué ; une unité de pointage, configurée pour modifier une direction d’émission du signal optique montant pour viser le dispositif embarqué et mesurer à chaque instant des paramètres angulaires de ladite direction démission ; une unité de télémétrie pour déterminer à chaque instant une distance entre la balise et le dispositif embarqué, une unité de calcul pour déterminer une position spatiale de l’aéronef à partir de la distance et des paramètres angulaires de la direction d’émission, et pour élaborer une première information à transmettre à l’aéronef à partir de la position spatiale ; et, une première unité de modulation pour moduler le signal optique montant en fonction de la première information pour la transmettre au dispositif embarqué, et le dispositif embarqué comporte : une seconde unité de réception pour recevoir le signal optique montant ; et, une seconde unité de démodulation pour extraire du signal optique montant reçu les informations de positionnement afin de les transmettre à un système de pilotage de l’aéronef. Suivant les modes particuliers de réalisation, le système d’aide à l’atterrissage comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le dispositif embarqué comporte, en outre : une seconde unité d’émission pour émettre un signal optique descendant vers la balise ; une seconde unité de modulation, adaptée pour moduler le signal optique descendant pour qu’il porte une seconde information élaborée par le système de pilotage de l’aéronef, et la balise comportant, en outre : une première unité de réception du signal optique descendant ; et, une première unité de démodulation pour extraire la seconde information du signal optique reçu. - le dispositif embarqué comporte un coin de cube permettant d’émettre le signal optique descendant par réflexion du signal optique montant et de moduler le signal optique descendant. - la balise comporte un module de comparaison d’un déphasage entre le signal optique montant et le signal optique descendant afin de déterminer la distance entre la balise et le dispositif embarqué. - le signal optique montant est modulé dans une première gamme de fréquences et le signal optique descendant est modulé dans une seconde gamme de fréquences, les première et seconde gammes de fréquences étant disjointes. - la position spatiale correspond à une latitude, une longitude et une hauteur de l’aéronef. - la première information est la position spatiale de l’aéronef, une position relative de l’aéronef, une commande de pilotage de l’aéronef. - la seconde information est un message d’accusé-réception de la première information. - l’unité de pointage comporte des moyens mécaniques d’orientation de signal optique montant asservis à un télescope. L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d’un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d’exemple illustratif et non limitatif, cette description étant faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 La FIG. 1 est une représentation schématique de la situation dans laquelle le système d’aide à l’atterrissage selon l’invention est mis en œuvre ; FIG. 2 La FIG. 2 est une représentation schématique sous forme de blocs fonctionnels des composantes sol et embarquée du système d’aide à l’atterrissage selon l’invention ; FIG. 3 La FIG. 3 est une représentation d’un mode de réalisation préféré pour la communication optique entre la composante sol et la composante embarquée du système d’aide à l’atterrissage de la FIG. 2 ; et, FIG. 4 La FIG. 4 est une représentation sous forme de blocs d’un procédé de mise en œuvre du système d’atterrissage selon l’invention. En se référant à la FIG. 1 , le système 10 d’aide à l’atterrissage selon l’invention permet à un aéronef 4, en l’occurrence un drone, de se poser à l’intérieur d’une zone d’atterrissage 6, qui peut être un aérodrome de campagne, le toit d’un immeuble, le pont d’un navire, ou l’équivalent. Le système d’aide à l’atterrissage 10 comporte une balise 12, fixe au sol, et un dispositif 14 embarqué à bord de l’aéronef 4. Le système 10 est fondé sur la communication optique bidirectionnelle entre la balise 12 et le dispositif 14. La balise 12 intègre un moyen de télémétrie permettant de déterminer la distance D séparant la balise 12 du dispositif 14, et par conséquent de l’aéronef 4. De plus, la balise 12 est munie de moyens permettant un pointage du faisceau optique émis par la balise 12 pour qu’il vise le dispositif 14. La direction de pointage A donne les angles de gisement α et de site γ. A partir de ces angles et de cette distance, la balise 12 est capable de déterminer la position spatiale précise de l’aéronef 4, c’est-à-dire le point P (longitude et latitude) au-dessus duquel l’aéronef 4 se trouve à l’instant courant, ainsi que la hauteur H courante par rapport au sol. Au moyen de la communication montante, depuis la balise 12 vers le dispositif 14, la balise 12 communique à l’aéronef 4 sa position spatiale. Le système de pilotage, autonome ou non, dont est muni l’aéronef 4 prend alors cette information en compte pour piloter l’aéronef 4 et le guider jusqu’à la zone 6. Plus précisément, comme représenté à la FIG. 2 , le système 10 présente différentes fonctionnalités. Ainsi, la balise 12 comporte une unité de pointage 22. Il s’agit par exemple de moyens mécano-optiques permettant de modifier la direction de pointage A du faisceau optique émis par la balise 12. L’unité de pointage peut comporter une caméra optique permettant de repérer l’aéronef 4 pour une localisation dans un angle solide étendu. Une fois l’aéronef cible acquis au moyen de la caméra, l’intensité du faisceau réfléchi, collectée par un télescope (décrit plus en détail ci-dessous), permet une localisation de l’aéronef cible dans un angle solide restreint. Une fois la balise 12 convenablement orientée vers le dispositif 14 de l’aéronef 4, une liaison de communication optique est établie. L’unité de pointage 22 est alors adaptée pour suivre (« tracking ») l’aéronef cible afin de maintenir cette liaison. L’unité de pointage 22 délivre périodiquement les informations d’angles α et γ relatives à la direction de pointage A. La balise 12 est munie d’une unité de télémétrie 24 permettant, une fois qu’une liaison de communication optique a été établie avec le dispositif 14 embarqué à bord de l’aéronef 4, de déterminer, à chaque instant, la distance D séparant la balise 12 du dispositif 14. De préférence, l’unité de télémétrie 24 est du type Lidar (« Light Detection and ranging » ou système de détection et d’estimation de la distance par la lumière), utilisant les faisceaux émis et réfléchi pour déterminer la distance D. La balise 12 comporte une unité de calcul 23 propre, à partir des informations délivrées par l’unité de pointage 22 et celles délivrées par l’unité de télémétrie 24, à calculer la position spatiale de l’aéronef 4. L’unité de calcul 23 délivre ainsi périodiquement la position instantanée P et de hauteur instantanée H de l’aéronef 4. La balise 12 comporte une première unité de modulation 25 et une première unité d’émission d’un signal optique 26. L’unité 26 est propre à émettre un signal optique Sm vers le dispositif 14 de manière à constituer un canal montant de la liaison de communication optique, depuis la balise 12 vers le dispositif 14. Le faisceau optique est modulé par l’unité 25 de manière à ce que le signal optique Sm soit porteur des informations de position P et d’altitude H de l’aéronef 4, telles que déterminées par l’unité de calcul 23. Cette modulation s’effectue dans une première gamme de fréquences. La balise 12 comporte une première unité de réception optique 28 et une première unité de démodulation 27. L’unité de réception optique 28 est propre à recevoir le signal optique Sd constituant le canal descendant de la liaison de communication optique, depuis le dispositif 14 vers la balise 12. L’unité 27 est propre à démoduler le signal en sortie de l’unité de réception 28 de manière à extraire les informations contenues dans le signal optique Sd , provenant de l’aéronef 4 et incident sur l’unité 28. Côté l’aéronef 4, le dispositif embarqué 14 comporte une seconde unité de réception 48 et une seconde unité de démodulation 47. La seconde unité 48 est propre à recevoir le signal optique Sm en provenance de la balise 12. La seconde unité de démodulation 47 est propre à démoduler le signal délivré en sortie de l’unité 48 de manière à extraire du signal optique Sm les informations qu’il comporte, notamment la position P et l’altitude H de l’aéronef 4, telles que calculées par la balise 12. Ces informations sont transmises à un système de pilotage 16 de l’aéronef 4, de manière à permettre à ce système de manœuvrer l’aéronef 4 pour qu’il atterrisse. Le dispositif 14 comporte une seconde unité d’émission 46 et une seconde unité de modulation 45. Pour transmettre des informations depuis l’aéronef 4 vers la balise au sol 12 au moyen du signal optique Sd, comme par exemple un message d’accusé réception des informations de position et d’altitude, la seconde unité de modulation 45 est propre à moduler le faisceau optique émis par la seconde unité d’émission 46. Avantageusement, cette modulation s’effectue dans une seconde gamme de fréquences, distincte de la première gamme de fréquences. En se reportant maintenant à la FIG. 3 , une structure possible de la balise 12 et du dispositif 14 est présentée permettant de réaliser, en pratique, certaines des fonctionnalités représentées sur la FIG. 2 . Ainsi, la balise 12 est munie d’une source laser 51 délivrant un faisceau laser, par exemple dans la gamme infrarouge. La balise 12 comporte un modulateur optique 52 permettant de moduler l’intensité du faisceau laser sortant de la source 51. Cette modulation est effectuée en fonction des informations provenant de l’unité de calcul 23, notamment la position et l’altitude à transmettre à l’aéronef 4. Avantageusement, le modulateur optique 52 fonctionne dans une première gamme de fréquences. Le faisceau laser modulé sortant du modulateur optique 52 tombe sur une lame biréfringente 53. Une première fraction de ce faisceau, réfléchie par la lame 53, est appliquée en entrée d’un télescope 54. Une seconde fraction de ce faisceau, transmise par la lame 53, est acheminée vers un détecteur optique 55, via un premier miroir réfléchissant 56 et une seconde lame biréfringente 57. Le télescope 54 est propre à émettre, dans le milieu séparant la balise 12 du dispositif 14, le faisceau laser modulé en tant que signal montant Sm. Le dispositif 14 comporte un coin de cube 61. Il s’agit d’un ensemble de trois miroirs semi-réfléchissants, montés à angle droit les uns des autres, de manière à former un coin de cube. Ce coin de cube 61 a la propriété physique de réfléchir une fraction du faisceau incident exactement à 180°. Le faisceau laser réfléchi constitue le signal descendant Sd. Le coin de cube 61 a aussi pour propriété de laisser passer une fraction du faisceau incident. Ainsi, la fraction transmise du signal montant Sm est appliquée en entrée d’un démodulateur optique 62. Le démodulateur optique 62 est propre à générer un signal électrique à partir du signal optique reçu, ce signal électrique correspondant aux informations contenues dans le signal montant Sm, à savoir la position et l’altitude de l’aéronef 4. Pour que le faisceau réfléchi vers le télescope 54 porte une information provenant de l’aéronef 4, le coin de cube 61 est muni de moyens électromécaniques 63, par exemple piézoélectriques, permettant de faire vibrer les miroirs constitutifs du coin de cube 61. Cette vibration permet de moduler l’amplitude du signal réfléchi et donc de faire en sorte que le signal descendant Sd porte l’information que l’aéronef 4 souhaite transmettre à la balise 12. Les moyens 63 sont pilotés par un modulateur électrique 64. Ce dernier génère un signal électrique et l’applique aux moyens 63 en fonction des informations à coder dans le signal descendant Sd. Ces informations proviennent par exemple du système de pilotage 16. Côté balise 12, le télescope 54 est adapté pour recevoir le faisceau lumineux réfléchi par le dispositif 14, c’est-à-dire le signal descendant Sd, et à le transmettre sur la lame biréfringente 53. Une fraction de ce faisceau lumineux est renvoyée vers la source 51 où elle est absorbée par un système de protection adapté, tandis que l’autre fraction de ce faisceau, transmise par la mage 53, est envoyée sur le détecteur 55, via un second miroir 58 et la seconde lame biréfringente 57. Le détecteur 55 est un détecteur optique propre à délivrer un signal électrique correspondant à la superposition des signaux Sd et Sm. Ce signal électrique est transmis à un module 70 d’une part et à un module 59 d’autre part. Par comparaison des faisceaux émis et reçus, notamment par mesure d’un déphasage entre ces deux faisceaux, le module 70 est propre à déterminer la distance D entre la balise 12 et le dispositif 14. Il s’agit donc de la fonction de télémétrie de la balise 12. Par ailleurs, par filtrage du signal descendant autour de la seconde gamme de fréquences, le module 59 extrait les informations transmises par l’aéronef, comme par exemple le message d’accusé de réception R émis par l’aéronef 4. Dans ce mode de réalisation pratique, on peut constater qu’une seule source laser est utilisée, du côté de la station au sol 12. Les aéronefs équipés du dispositif embarqué 14 ne comportent pas de source laser. Cette source laser est utilisée non seulement pour la fonction de télémétrie, mais également pour la fonction de communication, puisqu’il peut être facilement modulé pour transporter une information de la balise 12 vers l’aéronef 4 et/ou des aéronefs 4 vers la balise 12. L’avantage de la mise en œuvre d’un coin de cube est la facilité de réémettre un faisceau à 180° par rapport au faisceau incident, c’est-à-dire que si le signal montant Sm se propage selon la direction de l’axe A, le signal descendant Sd se propage dans la direction opposée de l’axe A. Les fonctions de réception et d’émission du dispositif 14 sont donc rassemblées dans cet unique composant. De plus, si on souhaite que l’aéronef communique des informations vers le sol, il est aisé de moduler le faisceau réfléchi. Pour la fonction de pointage de la balise 12, si la caméra optique permet un premier pointage grossier vers l’aéronef, le télescope 54 est utilisé pour un pointage plus fin. En particulier, un télescope 54 est muni d’un collimateur 72 permettant d’asservir la tête mobile de la balise 12 pour un pointage précis vers l’aéronef 4. Comme illustré sur la FIG. 4 , un procédé 100 d’utilisation du système d’aide à l’atterrissage 10 pourrait être le suivant. Dans une étape 110, la balise 12 assure l’acquisition optique de l’aéronef 4 au moyen du dispositif de pointage 22 et maintient cette acquisition au cours de la communication. Puis, dans une étape 120, la balise 12 établit la liaison optique avec le dispositif 14 embarqué à bord de l’aéronef 4. L’établissement d’une telle liaison peut débuter par un échange d’identifiant entre l’aéronef et la balise. Dans l’étape 130, la balise 12 mesure en temps réel la distance qui le sépare l’aéronef 4. Cette information est communiquée au calculateur de la balise 12. La balise 12 mesure également en temps réel les paramètres de la direction de pointage, à savoir l’angle de gisement et l’angle de site et transmis au calculateur de la balise 12. Dans l’étape 140, à chaque pas de temps, le calculateur de la balise 12 détermine à partir de la distance et des angles de la direction de pointage, la position spatiale de l’aéronef 4. Il dérive les informations de position spatiale (latitude, longitude et hauteur) de l’aéronef par rapport au sol. Puis dans l’étape 150, la balise 12 transmet, le long du canal montant, ces informations de positionnement de l’aéronef 4. Après réception et démodulation du signal optique montant Sm, les informations de positionnement sont transmises au système de pilotage de l’aéronef 4, qui réalise les actions de pilotage requises pour l’atterrissage. Avantageusement, suite à la réception des informations de positionnement, dans une étape 160, l’aéronef 4 indique à la balise 12 la bonne réception de ces informations dans le signal optique descendant Sd. Les étapes 110 à 160 sont itérées à chaque pas de temps jusqu’à l’atterrissage de l’aéronef 4 à l’intérieur de la zone 6. Variantes de réalisation En variante, au lieu d’indiquer simplement les informations de positionnement à l’aéronef, la station au sol peut indiquer transmettre d’autres informations. Par exemple, au lieu d’une position spatiale absolue, une position spatiale relative entre l’aéronef et la zone d’atterrissage peut être transmise. Cette position relative est obtenue à partir de la position spatiale absolue de l’aéronef et celle de la zone d’atterrissage. Par exemple encore, la station au sol pourrait prendre la main sur le pilotage de l’aéronef afin de réaliser la phase d’atterrissage. Cela permet avantageusement une éventuelle supervision humaine par un contrôleur de la station au sol. En variante, l’aéronef embarque un Lidar. Si cette solution reste actuellement coûteuse, elle pourrait se démocratiser dans un futur proche et pourrait donc être embarquée à bord de l’aéronef à moindre coût. Cela permettrait à l’aéronef d’effectuer la mesure de la distance le séparant de la balise au sol. Éventuellement, en plus de la communication bidirectionnelle optique, une communication radiofréquence peut être établie entre la balise et l’aéronef de manière par exemple à réaliser la première phase de l’établissement de la liaison optique relative à l’identification entre l’aéronef et la balise au sol. Avantages de l’invention Le système d’aide à l’atterrissage venant d’être présenté est facilement déployable. La station au sol ne nécessite aucune infrastructure importante. Elle peut donc équiper de petits aérodromes, des hélipads ou toutes zones d’atterrissage adaptées à l’emploi d’un aéronef, en particulier un aéronef autonome. Côté aéronef, l’emploi d’un coin de cube, qui est un dispositif peu couteux, permet d’équiper une flotte d’aéronef à moindre coût, en particulier une flotte de drones. La solution proposée est robuste aux perturbations électromagnétiques puisqu’elle se fonde sur une communication optique. Elle est donc bien adaptée à un environnement urbain où une communication radiofréquence peut être perturbée par les réseaux de télécommunication, ou encore un environnement dans lequel les signaux des satellites de positionnement sont facilement perturbés par réflexion. On s’affranchit donc des perturbations électromagnétiques qui affectent les systèmes de l’état de la technique. Système d’aide à l’atterrissage (10), comportant, au sol, une balise (12) et, embarqué à bord d’un aéronef (4), un dispositif embarqué (14), le système d’aide à l’atterrissage étant caractérisé en ce que : - la balise (12) comporte : Une première unité d’émission (26), pour émettre un signal optique montant (S m ) de la balise (12) vers le dispositif embarqué (14) ; Une unité de pointage (22), configurée pour modifier une direction d’émission du signal optique montant pour viser le dispositif embarqué (14) et mesurer à chaque instant des paramètres angulaires de ladite direction démission ; Une unité de télémétrie (24) pour déterminer à chaque instant une distance (D) entre la balise (12) et le dispositif embarqué (14), Une unité de calcul (23) pour déterminer une position spatiale de l’aéronef à partir de la distance et des paramètres angulaires de la direction d’émission, et pour élaborer une première information à transmettre à l’aéronef (4) à partir de la position spatiale ; et, Une première unité de modulation (25) pour moduler le signal optique montant (Sm) en fonction de la première information pour la transmettre au dispositif embarqué, et - le dispositif embarqué (14) comporte : Une seconde unité de réception (48) pour recevoir le signal optique montant ; et, Une seconde unité de démodulation (47) pour extraire du signal optique montant reçu les informations de positionnement afin de les transmettre à un système de pilotage de l’aéronef. Système selon la revendication 1, dans lequel : le dispositif embarqué (14) comporte, en outre : Une seconde unité d’émission (46) pour émettre un signal optique descendant (Sd) vers la balise (12) ; Une seconde unité de modulation (47), adaptée pour moduler le signal optique descendant pour qu’il porte une seconde information élaborée par le système de pilotage de l’aéronef, la balise (12) comportant, en outre : Une première unité de réception du signal optique descendant ; et, Une première unité de démodulation pour extraire la seconde information du signal optique reçu. Système selon la revendication 2, dans lequel le dispositif embarqué (14) comporte un coin de cube (61) permettant d’émettre le signal optique descendant par réflexion du signal optique montant et de moduler le signal optique descendant. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la balise comporte un module de comparaison d’un déphasage entre le signal optique montant et le signal optique descendant afin de déterminer la distance entre la balise (12) et le dispositif embarqué (14). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le signal optique montant est modulé dans une première gamme de fréquences et le signal optique descendant est modulé dans une seconde gamme de fréquences, les première et seconde gammes de fréquences étant disjointes. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la position spatiale correspond à une latitude, une longitude et une hauteur de l’aéronef (4). Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première information est la position spatiale de l’aéronef (4), une position relative de l’aéronef, une commande de pilotage de l’aéronef. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la seconde information est un message d’accusé-réception de la première information. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’unité de pointage (22) comporte des moyens mécaniques d’orientation de signal optique montant asservis à un télescope (54).