Procédé et dispositif de compensation de la dispersion en fréquence d'une antenne à balayage électronique, et son application à un système d'aide à l'atterrissage de type MLS

Abstract

 L'invention a pour objet un procédé et un dispositif de correc­tion en fonction de la fréquence de l'erreur de pointage dans une antenne à balayage électronique, dans le cadre d'un système d'aide à l'atterrissage de type MLS.
Le procédé consiste à compenser l'erreur de pointage en modifiant la vitesse de balayage du faisceau en fonction de la fréquence d'émission et, dans une variante de réalisation, également en fonction de l'angle de pointage.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de compensation de la dispersion fréquence d'une antenne à balayage électronique, plus particulièrement destinés à un système d'aide à l'atterrissage de type MLS.

[0002] On rappelle que le système MLS (initiales de l'expression anglo-saxonne "Microwave Landing System", système d'atterrissage micro-onde) est un système permettant d'aider un avion à l'atter­rissage en lui fournissant sa position, en coordonnées sphériques dans un repère lié à la piste :
    - son angle d'azimut ;
    - son angle de site ;
    - éventuellement d'autres informations annexes, telles qu'azimut arrière ;
    - un certain nombre de données ;
    - une information de distance, fournie par un système autonome appelé DME (pour "Distance Measuring Equipment", équipement de mesure de distance).

[0003] Ces différentes informations, appelées "fonctions", sont émises en permanence à partir du sol en multiplexage temporel sur une même fréquence, voisine de 5 GHz, selon des caractéristiques normalisées par l'OACI (Organisation de l'Aviation Civile Interna­tionale), annexe 10, paragraphe 3.11. Ces informations sont déco­dées par chaque avion intéressé.

[0004] Chacune des "fonctions" précédentes se décompose en deux parties, émises successivement :
    - un préambule, dont le rôle est de fournir à l'avion une identification de la fonction qui va suivre ; ce préambule est émis par une antenne dite "sectorielle", c'est-à-dire une antenne fixe émettant dans l'ensemble de la zone, ou secteur, que le système MLS doit couvrir ;
    - la fonction proprement dite :
      . dans le cas où cette fonction est une donnée, elle est émise par l'antenne sectorielle ;
      . dans le cas où cette fonction est une information angulaire, elle est émise à l'aide d'une antenne à balayage électro­nique selon le principe dit du faisceau battant à référence tempo­relle, décrit ci-après figures 1 et 2.

[0005] Sur la figure 1 est illustré le principe du balayage destiné à coder, par exemple, l'angle d'azimut.

[0006] D'une station azimut, selon ce qui précède, sont émis deux rayonnements différents par deux antennes distinctes que, pour simplifier, on a représentées en un même point A_Z.

[0007] Partant du point A_Z on a donc, d'une part, le diagramme d'émission du préambule, noté P_Z, émis par l'antenne sectorielle dans toute la zone de couverture du système MLS.

[0008] De ce point A_Z on a, d'autre part, le diagramme d'un faisceau B, plat et vertical, dit faisceau battant, émis par une antenne à balayage électronique. Le faisceau B effectue à vitesse angulaire constante un balayage aller puis, après un temps d'arrêt (T_o), un balayage retour et, ce, dans une zone de balayage faisant un angle 2ϑ_M (+ ϑ_M et - ϑ_M) sur la figure. On a illustré également, respectivement par une flèche A_L et une flèche R, les trajets de balayage aller et balayage retour du faisceau B. On a enfin figuré un avion A_V, à titre d'exemple non correctement aligné avec l'axe PPʹ de la piste, c'est-à-dire faisant un angle ϑ_A avec ce dernier.

[0009] Sur le diagramme de la figure 2a, on a illustré les émissions successives des antennes de la station azimut, en fonction du temps.

[0010] D'un instant zéro jusqu'à un instant t_P est donc émis le préambule par l'antenne sectorielle. Ensuite, d'un instant t₁ à un instant t₂, le faisceau B émis par l'antenne à balayage décrit d'angle 2ϑ_M (faisceau aller A_L). On a représenté sur le diagramme 2b, toujours en fonction du temps, la valeur de l'angle (ϑ) ainsi balayé, qui passe de -ϑ_M à +ϑ_M pendant la durée t₁ à t₂.

[0011] Après une durée T₀, le faisceau balaie le même angle dans l'autre sens, d'un instant t₃ à un instant t₄ (diagramme 2a), c'est-à-­dire de l'angle +ϑ_M à l'angle -ϑ_M (diagramme 2b).

[0012] On a figuré sur le diagramme 2c les signaux reçus à bord de l'avion A_V, toujours en fonction du temps. L'avion reçoit tout d'abord le préambule, entre les instants 0 et t_P. Il reçoit ensuite deux impulsions, repérées 1 et 2, à des instants t₅ et t₆ qui correspondent aux moments où le faisceau passe sur l'avion A_V, dans un sens puis dans l'autre. La durée séparant les instants t₅ et t₆ (Δt) est caractéristique de l'angle ϑ_A d'azimut de l'avion A_V :

    ϑ_A =

. (Δt - T_o)      (1)

[0013] Il a été dit dessus que l'émission des fonctions MLS se faisait sur une fréquence voisine de 5 GHz. Plus précisément, chaque station MLS dispose d'une fréquence choisie dans une bande allant de 5,03 à 5,09 GHz.

[0014] L'antenne à balayage électronique est, comme il est connu, constituée d'un grand nombre de sources rayonnantes et elle est en général calculée par le constructeur à la fréquence centrale de la bande, à savoir 5,06 GHz. Lorsque la fréquence d'émission est différente de cette fréquence centrale, l'angle de pointage réel du faisceau est différent de l'angle calculé pour la fréquence centrale, et il s'avère que l'erreur ainsi commise est supérieure aux erreurs tolérées par les normes OACI. Cette erreur doit donc être corrigée.

[0015] Une solution possible de correction consiste à recalculer les déphasages à apporter à chacune des sources rayonnantes pour chaque fréquence d'émission. Cette solution est généralement utilisée dans les radars à balayage électronique, du fait que ceux-ci comportent habituellement des moyens de calcul qui peuvent assurer en outre le recalcul des déphasages. Dans le cas du système MLS, on ne dispose pas de tels moyens de calcul ; les valeurs des déphasages sont habituellement stockées dans des mémoires mortes et le changement des valeurs des déphasages implique le remplacement de la mémoire. Ceci est évidemment un inconvénient, notamment sur le plan de la souplesse et du coût.

[0016] La présente invention a pour objet un procédé permettant de compenser cette erreur en modifiant la vitesse de balayage (v) du faisceau ; de la sorte, le temps Δt mesuré est modifié (voir expres­sion (1) ci-dessus) et, par suite, la valeur correspondante de l'angle ϑ est corrigée.

[0017] Selon les différents modes de réalisation de l'invention, la vitesse de balayage peut être modifiée en tenant compte seulement de la fréquence d'émission ou en tenant compte à la fois de la fréquence d'émission et de l'angle balayé.

[0018] D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1, déjà décrite, illustre le principe du codage de l'angle azimut par un faisceau battant ;

- les figures 2, a à c, déjà décrites, sont des diagrammes explicatifs relatifs à la figure précédente ;

- les figures 3, a et b, illustrent schématiquement le principe de correction selon l'invention ;

- la figure 4 est une courbe explicative ;

- la figure 5 est un schéma synoptique d'une station MLS ;

- la figure 6 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;

- la figure 7 est un schéma explicatif ;

- la figure 8 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention.

[0019] Sur ces différentes figures, les mêmes références se rappor­tent aux mêmes éléments.

[0020] Il a été indiqué ci-dessus (expression 1) que la mesure d'angle (ϑ_A) effectuée par l'avion se ramène à une mesure de temps : l'angle est une fonction linéaire du temps Δt qui sépare les deux réceptions (impulsions 1 et 2, figure 2c) du faisceau B. Selon l'invention, on compense la dispersion en fréquence de l'antenne par la modification de la vitesse (v) de balayage du faisceau, comme illustré sur les figures 3.

[0021] Sur la figure 3a on a reproduit en pointillé le diagramme 2b précédent, illustrant les valeurs d'angle balayées en fonction du temps. De la même manière, sur la figure 3b, on a reproduit en pointillé les signaux reçus à bord de l'avion (impulsions 1 et 2) comme illustré sur la figure 2c.

[0022] Sur le diagramme 3a, on a représenté en outre en trait continu les effets d'une modification de la vitesse de balayage du faisceau B (vitesse modifiée mais constante sur toute la couverture) : le faisceau aller couvre l'angle 2ϑ_M d'un instant t_1c à un instant t_2c ; de la même manière, le faisceau retour couvre le même angle pendant une même durée, allant d'un instant t_3c à un instant t_4c. Sur le diagramme 3b, on a représenté en outre en trait continu une impulsion 1_c correspondant au passage du faisceau aller et une impulsion 2_c correspondant au passage du faisceau retour, à des instants respectivement t_5c et t_6c. La durée qui sépare ces deux impulsions 1c et 1b est notée Δt_c. Elle est inférieure à la durée Δt précédente, pour un même angle ϑ_A. Il apparaît donc qu'une même durée Δt correspondant alors à un angle différent de ϑ_A (plus faible dans le cas des figures 3).

[0023] Selon un mode de réalisation de l'invention, pour faire varier la vitesse de balayage du faisceau, on fait varier la fréquence d'horloge du circuit logique commandant le balayage du faisceau.

[0024] Tout d'abord, on montre que l'erreur (notée dϑʹ) sur l'angle ϑque fait le faisceau B avec l'axe PPʹde la piste, ou angle de pointage, s'écrit :

avec :
    - dϑ' exprimé en radians ;
    - f : fréquence de l'onde émise ;
    - f_o : fréquence centrale de la bande de fréquence des émissions MLS (5,06 GHz), avec : f = f_o + df.
Démonstration :
On sait en effet qu'à la phase (Δφ) du n^ème déphaseur correspond un angle de pointage ϑ de la manière suivante :
    Δφ = 2π.

. sin ϑ      (3)
avec :
    - L : distance du n^ème déphaseur au centre de l'antenne ;
    - λ : longueur d'onde correspondant à la fréquence d'émis­sion (f).
A phases constantes, on peut calculer l'erreur dϑʹ commise sur l'angle ϑ lorsque la fréquence d'émission varie de f_o à f = f_o + df en opérant la dérivée logarithmique de l'expression (3) :

d'où :

d'où il vient l'expression (2) mentionnée plus haut.

[0025] Si on exprime maintenant l'angle ϑ en fonction de la vitesse angulaire de balayage (v), ou encore en fonction de la fréquence (F) du signal d'horloge du circuit logique, qui lui correspond à une constante de proportionnalité près (K), on obtient :

Démonstration :
A la fréquence centrale (f_o), on a :
    ϑ_o = v_o.t
avec :
    - ϑ_o : angle variable dans le temps, correspondant à f = f_o ;
    - v_o : vitesse angulaire déterminée pour f = f_o.
A la vitesse v_o est liée une valeur F_o de la fréquence F par la relation :
    v_o = K. F_o      (5)
A une fréquence d'émission f quelconque, on a :
    ϑ = v_o.t + dϑʹ
Les expressions (2) et (5) ci-dessus permettent d'écrire :

Si on fait varier la fréquence d'horloge, qui s'écrit alors F, avec F = F_o + dF, on peut écrire :

ou encore, en remplaçant K (expression 5):

A partir de cette dernière expression, on peut exprimer l'erreur dϑ commise sur ϑ par rapport à la loi idéale ϑ_o = v_o.t ci-dessus (avec dϑ = ϑ - ϑ_o), en fonction des fréquences F et f :

ce qui peut encore s'écrire :

En négligeant dF/F_o devant 1, on obtient l'expression (4) mentionnée plus haut.

[0026] Pour annuler l'erreur dϑ, il faut donc que la variation dF de la fréquence de l'horloge de balayage obéisse à la relation suivante :

Il ressort de cette dernière formule que la correction de la fréquence de l'horloge de balayage, pour annuler l'erreur dϑ, est fonction de la fréquence d'émission f mais également de l'angle ϑ de pointage du faisceau.

[0027] Selon l'invention, cette correction est faite, dans un premier mode de réalisation, simplifié, uniquement en fonction de la fréquence (f) d'émission. Dans un deuxième mode de réalisation, plus élaboré, la correction est faite à la fois en fonction de la fréquence f et en fonction de l'angle ϑ.

[0028] Dans le premier mode de réalisation, on opére donc une correction uniquement en fonction de la fréquence d'émission f.

[0029] Pour un angle donné ϑ = ϑ₁, selon la formule (6) ci-dessus, on obtient une valeur dF₁ correspondante de dF qui s'écrit :

On peut alors écrire l'expression de l'erreur δ de pointage en fonction de l'angle ϑ, pour la valeur de dF₁ ci-dessus :

[0030] On a représenté sur la figure 4 la variation de l'angle ϑ avec le temps :
    - en trait pointillé, la courbe théorique : variation linéaire ;
    - en trait continu, la variation réelle : l'erreur δ est nulle pour ϑ égal à zéro ; elle passe ensuite par un maximum, noté δ_{1 MAX} ; elle s'annule pour la valeur ϑ₁ puis augmente à nouveau pour les valeurs supérieures de l'angle ϑ, jusqu'à δ_{2 MAX} pour ϑ_M. Dans un mode de réalisation la valeur ϑ₁ de l'angle ϑ est choisie de telle sorte que les valeurs δ_{1 MAX} et δ_2MAX soient sensiblement les mêmes. En d'autres termes la valeur ϑ₁ est une valeur moyenne qui minimise l'erreur δ.

[0031] Dans un autre mode de réalisation, du fait que les normes OACI admettent une erreur plus grande pour les grands angles ϑ que pour les petits angles, on choisit une valeur pour ϑ₁, qui minimise l'erreur δ pour les petits angles, tout en conservant la valeur δ_2MAX inférieure aux limites OACI.

[0032] Avant de décrire la mise en oeuvre de ce premier mode de correction, on rappelle figure 5 l'organisation générale d'une station angle d'un système MLS, azimut ou site par exemple.

[0033] Cette station comporte essentiellement un émetteur 10, deux antennes : une antenne sectorielle 30 et une antenne à balayage électronique 40, et des circuits de commande (20 et 50).

[0034] L'émetteur 10 comporte classiquement, en cascade :
    - un générateur de fréquence fournissant une fréquence porteuse d'environ 5 GHz selon la norme OACI ;
    - un modulateur de phase, réalisant une modulation de phase DPSK à deux états (0,π) permettant d'émettre le préambule et les données sur commande d'un dispositif logique de commande 50, tel qu'un microprocesseur ;
    - un dispositif de commande marche/arrêt, également com­mandé par le microprocesseur 50 ;
    - un émetteur de puissance.

[0035] L'émetteur 10 fournit un signal, par l'intermédiaire du com­mutateur 20, soit à l'antenne sectorielle 30 pour l'émission du préambule et des données, soit à l'antenne à balayage 40.

[0036] Cette dernière se décompose classiquement en :
    - un diviseur (ou répartiteur) de puissance 41, divisant en N la puissance reçue du commutateur 20 ;
    - N déphaseurs numériques 42, alimentés par le diviseur 41 ;
    - N éléments rayonnants 43, alimentés par les déphaseurs précédents ;
    - un circuit logique de balayage 44, fournissant aux déphaseurs 42 les valeurs des déphasages à introduire, afin de réaliser un balayage électronique à partir d'éléments rayonnants statiques.

[0037] La figure 6 représente un mode de réalisation du circuit logique de balayage (44) réalisant la compensation selon l'invention.

[0038] On rappelle que le circuit logique de balayage commande les déphaseurs 42 de manière à réaliser une succession de pointages du lobe, voisins les uns des autres, simulant ainsi un balayage continu.

[0039] Les déphaseurs 42 sont par exemple des déphaseurs numériques 4 bits ; dans ce cas, ils permettent chacun de déphaser une onde entre 0 et 360°, au pas de 22,5°. Les positions des N déphaseurs pour les pointages successifs (pas usuels : 0,1 à 0,2°) sont calculées au préalable et stockées en général dans une mémoire morte de type PROM (446 sur la figure 6), sous forme de mots de 4 bits. Chacun des N déphaseurs est repéré par une adresse et la logique de balayage 44 a pour fonction de fournir successivement les valeurs des déphasages (bus de données 447) assorties de leurs adresses respectives (bus adresses 448) aux déphaseurs 42.

[0040] A cet effet, le bloc 44 comporte en outre :
    - un générateur d'horloge 441, qui a pour fonction de fournir la fréquence F ;
    - un circuit logique de séquencement 442, commandant le déclenchement et le mode de fonctionnement d'un ensemble de compteurs 443, commandé par le dispositif 50 de contrôle de la station ;
    - l'ensemble 443 comportant deux compteurs :
      . un compteur-décompteur 445 pour le pointage du lobe, recevant la fréquence F et qui fournit à chaque instant la valeur du pointage du lobe ; cette dernière est utilisée par la mémoire 446 comme adresse (partielle, voir ci-dessous) d'une donnée qu'elle fournit (bus 447) aux déphaseurs 42 ;
      . un compteur-décompteur 444 pour les adresses des déphaseurs : pour un pointage donné du lobe (information fournie par le compteur 445), il permet l'adressage successif des N déphaseurs ; sa fréquence est donc N fois plus grande que celle du compteur 445 ; à cet effet, il reçoit également la fréquence F.

[0041] Selon l'invention, le générateur de signal d'horloge 441 fournit un signal d'horloge dont la fréquence F dépend de la fréquence f d'émission. Dans une variante de réalisation, représentée sur la figure 6, on rassemble pour simplifier les différentes valeurs de la fréquence d'émission f possibles en groupes, de manière à minimiser le nombre de fréquences d'horloge possibles ; à titre d'exemple, on peut choisir vingt groupes de dix fréquences f chacun. Le générateur d'horloge 441 est classique, sauf en ce qu'il est susceptible de fournir différentes fréquences F sur la commande de la fréquence f ou du sélecteur 440 ; il peut être constitué par exemple par une horloge à quartz, où le quartz unique est remplacé par un ensemble de quartz commutablessous la commande précédente ; il est également possible d'utiliser un synthétiseur logique : la fréquence F peut être sélectionnée par exemple par des roues codeuses.

[0042] Ainsi qu'il l'a été dit ci-dessus, l'expression (6) montre que la variation de la fréquence F qui annule l'erreur dϑ est également fonction de l'angle ϑ. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, on fait donc varier dF non seulement en fonction de la fréquence d'émission f mais également en fonction de l'angle ϑ, comme illustré sur la figure 7.

[0043] La figure 7 représente, de façon analogue à celle de la figure 4, la variation de l'angle de pointage ϑ en fonction du temps. La courbe théorique est, comme précédemment, représentée en trait pointillé et la courbe réelle, en trait continu. Cette dernière se présente sous la forme d'une succession de segments I₁, I₂ ... I_n. En effet, il apparaît sur cette figure 7 qu'on ne choisit plus un angle ϑ₁ moyen comme dans le premier mode de réalisation mais des intervalles I₁, I₂...I_n. Pour chaque intervalle I ainsi défini, on choisit un angle ϑ_I pour lequel on calcule la correction de fréquence dF à appliquer pour tout l'intervalle :

qui correspond à l'expression (7) ci-dessus pour l'intervalle I_i et l'angle ϑ_Ii, avec i variant de 1 à n.

[0044] La longueur de l'intervalle I ainsi que l'angle ϑ_I doivent être choisis de manière à minimiser l'erreur résiduelle de pointage. Le calcul de dF est fait pour un intervalle angulaire donné (d'indice i) et pour un intervalle de fréquence d'émission donnée (noté f_i). L'erreur de pointage résiduelle, en fonction de l'angle ϑ et de la fréquence f est alors, pour les valeurs ϑ_Ii et f_i :

Pour ϑ = ϑ_Ii , on a :

pour f = f_i, on a :

avec δ = δ₁ + δ₂.

[0045] Pour minimiser δ, on cherche donc à minimiser séparément δ₁ et δ₂, expérimentalement ou par le calcul.

[0046] A titre d'exemple, si on se limite à une erreur dans toute la bande de fréquence et toute la couverture du système de ±0,01°, on peut choisir δ_{1 MAX} = ±0,005°= δ_{2 MAX}. De ce fait, on est conduit à choisir des groupes de fréquences f de ±0,5 MHz environ et à effectuer la correction supplémentaire en fonction de l'angle ϑ pour des intervalles angulaires de ±3,2°.

[0047] La figure 8 représente un mode de réalisation de cette correction en fonction de la fréquence d'émission et de l'angle de pointage au niveau du circuit logique de balayage 44.

[0048] Sur cette figure, on retrouve le séquenceur 442, l'ensemble de compteurs 443 et la mémoire 446.

[0049] On dispose en outre un troisième compteur, repéré 451, commandé par le séquenceur 442, une horloge 449 à fréquence fixe, dont les impulsions sont comptées par les trois compteurs, et une mémoire de correction 450.

[0050] En fonctionnement, la fréquence d'émission f et l'angle ϑ sélectionnent une adresse de la mémoire 450, du type PROM par exemple, qui contient les valeurs de chargement (N) du compteur-­décompteur 451, qui décompte de N à zéro au rythme de l'horloge 449. Lorsque le compteur 451 passe à zéro, il adresse un signal (INHIB) qui inhibe le comptage de compteurs 444 et 445 sur ma période d'horloge. De la sorte, on fait varier la vitesse de balayage, celle-ci étant d'autant plus faible que le nombre N est petit.

[0051] L'information angulaire (ϑ) est prélevée à la sortie du compteur 445 à destination de la mémoire 450.

[0052] En outre, comme précédemment, les différentes fréquences f possibles peuvent être rassemblées en groupes, en amont de la mémoire 450.

Revendications

1. Procédé de compensation de la dispersion en fréquence d'une antenne à balayage électronique, caractérisé par le fait qu'il consiste à modifier la vitesse (v) de balayage.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le balayage étant commandé par des moyens logiques comportant un signal d'horloge, la vitesse (v) de balayage est modifiée par modifi­cation de la fréquence (F) du signal d'horloge.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac­térisé par le fait que ladite modification est effectuée en fonction de la fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les fréquences d'émission (f) sont prédéfinies et regroupées en un nombre limité de groupes, ladite modification étant identique pour un même groupe.

5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que ladite modification est effectuée en outre en fonction de l'angle de pointage (ϑ) de l'antenne.

6. Dispositif de compensation de la dispersion en fréquence d'une antenne à balayage électronique, caractérisé par le fait qu'il assure la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes et qu'il comporte des moyens logiques (44) commandant le balayage.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les moyens logiques (44) comportent des moyens (441) de génération d'un signal d'horloge, commandés en fonction de la fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens (441) de génération comportent un jeu de quartz commutables en fonction de la fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens de génération (441) comportent un synthétiseur logique commandé en fonction de la fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les moyens logiques (44) comportent une horloge (449) à fréquence fixe, des moyens (443) de comptage adressant les déphaseurs de l'antenne, des moyens (451) de comptage de correc­tion et une mémoire de correction (450), cette dernière recevant la fréquence d'émission (f) et l'angle de pointage (ϑ) et fournissant aux moyens (451) de comptage de correction une valeur (N) correspon­dante de comptage, les moyens de comptage de correction inhibant, en fin de comptage, les moyens (443) de comptage des déphaseurs.

11. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 5 à au-moins une antenne à balayage électronique d'un système d'aide à l'atterrissage de type MLS.

Dessins