Installation de balise radioélectrique.
La présente invention est relative à une installation de balise radioélectrique et, plus particulièrement, à une telle installation qui est établie spécialement pour être utilisée à grande distance.
Dans la navigation à grande distance, par ticulièrement lorsqu'il s'agit de guider des avions sur des parcours transocêaniques, il est désirable qu'on puisse établir des balises radio éleetriques sur le fonctionnement desquelles on peut compter, de telle manière que l'itinéraire puisse être suivi pratiquement en permanence.
En raison des grandes distances qui séparent les bases terrestres dans les parcours transocéaniques, il est essentiel que de telles balises aient une portée de 2500 km, ou même davantage. Pour les balises radioéleetriques de portée courante, on considérait généralement que l'usage d'ondes relativement courtes était plus indiqué. Toutefois, en raison du mécanisme de propagation des ondes courtes, dans les transmissions à grandes distances, et des conditions variables de l'ionosphère, il est difficile d'éta- blir un système à ondes courtes remplissant d'une manière universelle les exigences de temps, de direction et de distance.
De telles stations à ondes courtes exigeraient un minimum de trois fréquences différentes pour assurer une sécurité de fonctionnement sur les s différentes portées. De plus, les transmissions en ondes courtes sont sujettes à un fading violent et rapide et sont particulièrement soumises aux erreurs lorsque des radiogoniomètres à cadre sont utilises comme appareils de ré ception.
Par suite de ce facteur, il semble qu'on ne puisse obtenir un grand degré de stabilité des ondes pour ces longueurs d'ondes plus courtes, à moins d'utiliser des puissances d'antennes de plusieurs milliers de kilowatts. Les exigences de puissance de tels systèmes sont évidemment d'une réalisation pratique très difficile.
D'autre part, aux basses fréquences et aux très basses fréquences, la transmission est relativement stable. Les variations sont généralement relativement lentes et partielles. Il n'y a pas de fading complet de ces longueurs d'ondes plus grandes pendant les périodes d'activité solaire et leurs effets de zone de silence n'exigent pas l'utilisation de plusieurs fréquences à l'émetteur. On peut utiliser une seule basse fréquence pour chacune des stations terrestres d'un réseau de balises.
En dépit de la plus grande simplicité des balises à ondes longues, elles n'ont pas été considérées jusqu'ici comme préférables aux balises à ondes courtes, étant donné que, dans les largeurs de bandes ordinaires et avec des puissances praticables, le pourcentage de disparition d'énergie dans la réception en ondes courtes est en moyenne plus petit qu'en grandes ondes pour une même puissance appliquée à l'antenne. Aux puissances extrêmement élevées (de l'ordre de 100 000 watts pour une distance de 2500 km), ce désavantage des grandes ondes est moins prononcé, de sorte qu'elles offrent une sécurité à peu près égale à celle des ondes courtes pour une puissance égale appliquée à l'antenne.
Ce qui précède pourrait laisser espérer que, pour des puissances encore plus grandes, les grandes ondes offriraient une sécurité supérieure à celle des ondes courtes pour la même puissance d'alimentation de l'antenne, mais l'utilisation de puissances aussi importantes pour une portée de 2500 km n'a pas été considérée comme raisonnable. En outre, en télégraphie et téléphonie, lesdites puissances ne sont pas justifiées du point de vue économique, étant donné que des puissances beaucoup plus faibles assurent une continuité du service de 90 à 95"/o. En conséquence, pour de tels usages, on a tendance à préférer les ondes courtes qui assurent une meilleure continuité pour une puissance modérée.
Dans le cas d'une balise destinée à la navigation à grande distance, même un affaiblissement d'énergie de 1 /o a une telle importance qu'il faut envisager l'obtention d'un système assurant une sécurité de 99, 9 /o. En négli- geant l'impraticabilité de manipulation de plusieurs dizaines de kW de puissance dans une antenne du type grandes ondes, il ressort de l'extrapolation de données connues que, pour une puissance moyenne de 15 millions de watts appliquée à une antenne, un système convenable à ondes longues donne moins d'affaiblissement d'énergie qu'un système à ondes courtes.
Ainsi, il semble qu'à ces énormes puissances, les courbes se sont eroisées, de sorte que, pour une même puissance, les ondes longues donnent alors moins d'affaiblissement au lieu d'en donner davantage.
Bien entendu, ces puissances démesurées ne sauraient être réalisées pratiquement mais, en diminuant la largeur de la bande bien audessous de celle généralement utilisée, il est possible de produire avec 50 kW un rapport signal-bruit aussi grand que si la puissance était plusieurs fois plus grande. Ce grand rapport signal-bruit donne alors la même inversion exceptionnelle des ondes longues et des ondes courtes en ce qui concerne leur pourcen- tage d'affaiblissement.
L'installation de radiobalise suivant l'in- vention peut être agencée de manière à pouvoir utiliser des puissances assez grandes (par rapport à la distance à couvrir) et des bandes assez étroites pour que le rapport signal-bruit soit plusieurs fois plus grand que par le passé, et de tirer pleinement avantage de]'augmen- tation dudit rapport en utilisant des ondes longues (40 à 150 kilopériodes) en application du principe ci-dessus que, pour des rapports signal-bruit élevés, les ondes longues ont un pourcentage d'affaiblissement inférieur à celui des ondes courtes.
En particulier, l'installation prévue par l'invention peut être conçue pour utiliser des puissances assez élevées et des bandes assez étroites pour qu une distance de 2500 km l'onde de sol moyenne soit eomparable avee le niveau moyen des parasites atmosphériques en utilisant des ondes longues
(environ 80 kilopériodes).
En raison de la sécurité et de la simpli- cité des balises radioélectriques fonctionnant à de telles basses fréquences, elles sont considé- rées comme particulièrement convenables aux systèmes de navigation aérienne à grande distance, étant donné qu'elles assurent un haut degré de continuité du service avee des puissances d'antennes raisonnables. Toutefois, afin de maintenir la puissance relativement basse et la sécurité effective à un niveau élevé, on a trouvé désirable de prévoir un système de signalisation introduisant des bandes latérales de très faible variation de fréquence.
Par exemple, la porteuse de la bande de basse fré- quence doit être de préférence au-dessous de 200 kilopériodes et la modulation ne doit pas excéder une bande de fréquence de 300 pé- riodes par seconde. Pour fonctionner avec les balises, le récepteur doit avoir une largeur de bande étroite n'excédant pas 60 périodes par seconde pour assurer un rapport signalbruit relativement élevé.
L'installation faisant l'objet de la présente invention comprend un émetteur ayant un certain nombre de diagrammes de radiation diri gés différemment, qui se répètent successivement et cycliquement dans un intervalle de temps déterminé, de façon à fournir des varia tions de signaux différentes et émettant un signa) de synchronisation entre les périodes cycliques. Ladite installation comprend en plus un récepteur ayant des voies de sortie séparées, un commutateur pour appliquer le signal de sortie du récepteur auxdites voies de sortie, et un dispositif pour comparer les si gnaux transmis sur lesdites voies séparées.
Cette installation est caractérisée en ce que ledit récepteur comprend un circuit sélectif répondant audit signal de synchronisation, un dispositif sélecteur dont la mise en et hors fonctionnement est réglable dans le temps, ce dispositif étant prévu pour sélectionner une paire déterminée desdites variations de signaux, et en ce que ledit commutateur applique le signal de sortie du récepteur auxdites voies de sortie en synchronisme avec lesdites deux variations de signaux.
Dans cette installation, l'énergie peut être transmise périodiquement à différents niveaux d'amplitude dans des secteurs différents autour de la balise, et des organes récepteurs peuvent être prévus pour sélecter dans le temps des énergies à deux niveaux différents et obtenir l'indieation de l'azimut par la comparaison desdites énergies.
Cette installation peut être telle que l'éner- gie se propage successivement et périodiquement suivant des diagrammes de radiation différemment dirigés. Le récepteur compren- dra alors des organes pour sélecter des parties de l'énergie de deux desdits diagrammes et obtenir la position azimutale du récepteur par rapport à la balise par comparaison desdites énergies partielles.
Le récepteur comprendra de préférence un indicateur de balisage sensible à l'énergie reçue et indiquant la position du récepteur par rapport à la route balisée, une antenne radiogoniométrique étant associée avec ledit récepteur et avee un indicateur radiogoniométrique pour fournir une indication direction nelle supplémentaire.
La description détaillée qui suit, faite en référence au dessin joint, montre, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exéeution de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique du montage de l'émetteur d'une balise radioélectrique.
La fig. 2 est une représentation graphique des périodes d'excitation utile à 1'explication du fonctionnement des différentes parties de l'installation.
La fig. 3 est un ensemble de courbes à coordonnées polaires représentant les diagrammes de radiation correspondant aux divers cycles de fonctionnement du dispositif représenté à la fig. 1.
La fig. 4 représente les différents secteurs angulaires et les signaux qui conviennent le mieux à la comparaison directionnelle dans chaeun desdits secteurs.
La fig. 5 représente symboliquement sous forme de rectangles le schéma d'un récepteur de radiobalise.
La fig. 6 est une carte géographique mettant en évidence l'utilisation de l'installation.
A la fig. 1, deux antennes rayonnant des ondes longues sont représentées en 1 et 2.
Elles sont, de préférence, séparées par une distance égale à une demi-longueur d'onde.
Une source d'énergie à fréquence porteuse est indiquée en 3, sa fréquence étant de préfé- renee dans la bande de 40 à 150 kilopériodes.
Un réseau de déphasage 4 est prévu pour faire varier le déphasage entre les énergies appliquées par la source 3 aux antennes 1 et 2 par paliers déterminés. A titre d'exemple, le dispositif ajusteur de phase 4 peut comprendre deux dispositifs commutateurs électroniques ou capacitaires associés avec les antennes 1 et 2 qui assurent l'excitation desdites antennes suivant des relations de phases différentes.
Une forme simple d'un montage, dans lequel les antennes sont excitées successivement avee des phases différentes, en quatre secteurs commençant respectivement à 0, 90, 180 et 270 , est utilisée à titre d'exemple. Dans les intervalles intermédiaires de ce cycle de dé- phasage, l'une des antennes seulement est exci- tée pour produire une impulsion de synchronisation ou de cadencement utilisée dans le récepteur, comme il ressort de la description ci-après.
A la fig. 2, la courbe a représente l'application d'énergie à l'antenne 1 et la courbe b l'application d'énergie à l'antenne 2 pour le cycle de fonctionnement du système. Sur les courbes a et b, les flèches représentent les phases relatives de l'énergie dans les deux antennes et les lignes en pointillés 5, 6 et 7 sur la courbe a représentent les points de transition des variations de phase. On constatera que, en des instants intermédiaires à chaque cycle de fonctionnement, des impulsions de eadencement ou de synchronisation 8 sont émises, comme représenté sur la courbe b.
L'énergie qui peut être reçue suivant certains azimuts par rapport à l'axe de rayonnement de la balise est représentée par la courbe c.
On constatera que ce signal comprend une impulsion de synchronisation 8 séparée de part et d'autre par des intervalles et suivie d'une période au cours de laquelle l'énergie en phase est appliquée, représentée par la ligne en poin tillés X. La ligne en pointillés M représente une autre période, au cours de laquelle l'éner- gie déphasée de 90 est appliquée, la ligne Y correspond au déphasage de 180 de l'énergie, et la ligne N au déphasage de 270 . Bien que, sur les courbes, les signaux aient été représentés comme passant brusquement d'une valeur à une autre, il doit être bien compris que le circuit 4 est de préférence établi de manière qu'on obtienne des courbes arrondies ou une transition progressive d'une condition à l'autre,
de manière à éviter des bandes latérales à fréquences élevées. Il est désirable que toute la bande latérale soit pratiquement limitée à 300 périodes par seconde et, mieux encore, à 80 périodes par seconde, mais les cycles doivent être choisis tels que les rensei gnements essentiels soient limités à 60 et mieux encore à 10 périodes par seconde.
La fig. 3 représente, sous forme de courbes à coordonnées polaires, les différents diagrammes correspondant aux positions déterminatrices de phase des commutateurs tournants.
A la position représentée par X (fig. 2), on obtient une courbe symétrique 9 tracée en traits pleins renforcés. A la position correspondant au déphasage de 90 , on obtient une courbe 10, tracée en traits pleins fins, correspondant au secteur ill. La courbe 11 repré- sente en traits interrompus renforcés le diagramme correspondant au secteur de commutation Y, et la distribution correspondant à la position de commutation N est représentée en traits interrompus fins en 12.
On remarquera que, dans différents secteurs du cercle ayant pour centre la balise, des routes à signaux égaux peuvent être aisément déterminées et qu'en mesurant le rapport d'énergie de certains des diagrammes ei-dessus définis, on peut déterminer les écarts à partir desdites routes dans une plus grande partie du cercle ayant la balise pour centre.
Pour établir quels sont les rapports à mesurer pour déterminer l'angle de relèvement des récepteurs par rapport à la balise, on peut utiliser le tableau à couronnes concentriques de la fig. 4. Si l'on considère que, dans chaque cas, le rapport à mesurer est tel que l'amplitude est toujours inférieure à l'unité, le secteur peut être identifié en mesurant les rapports des énergies
M X Y N
N z y M comme indiqué dans la couronne concentrique intérieure 13.
Le rapport des amplitudes pour la mesure de l'angle peut être pris sous la forme d'un rapport entre lesdites énergies suivant les indications de la couronne concentri- que suivante 14. On notera ici, que, sauf dans de petits secteurs adjacents à la ligne définie par les antennes 1 et 2, les rapports d'amplitudes pour la mesure des angles et les rapports pour l'identification des secteurs sont différents, de sorte qu'on puisse lever les indéterminations éventuelles. Les différents secteurs sont désignés par des symboles distincts 1 à A inclus et a à h inclus, comme indiqué dans la couronne 15, cependant que les angles ayant la balise pour sommet sont gradués dans la couronne extérieure 16.
A la fig. 5, il est représenté un circuit récepteur fonctionnant en association avec la balise radioélectrique de la fig. 1. Pour reve nir à la fig.. 3, on notera qu'il existe quatre directions (30, 150, 210 et 330 ) suivant lesquelles les signaux correspondant à X et Y de la fig. 2 sont d'amplitudes égales et deux directions (0 et 180") suivant lesquelles les signaux eorrespondant à lI et N sont d'intensités égales, au total six directions à signaux égaux. Toutefois, le système détermine également d'autres routes dans presque toutes les autres directions. Cette détermination se fait dans le récepteur en établissant le rapport des amplitudes eorzespondant à, et Y ou de celles correspondant à U et N.
A la fig.. 5, l'antenne réceptrice 17 est cou- plée, à travers le commutateur 18, au circuit amplificateur à haute et à moyenne fréquence 19. Ledit circuit 19 est de préférence accordé de manière à capter une énergie de signaux limitée à une bande latérale relativement étroite, de part et d'autre de la fréquence basse reçue. De préférence, ledit récepteur est conçu de manière à ne recevoir que des bandes latérales égales ou inférieures à 10 pé- riodes de part et d'autre de la fréquence porteuse, bien que la bande passante puisse être étendue jusqu'à 30 périodes par seconde, ou même 60 de part et d'autre si on le désire.
En limitant l'énergie de la bande latérale à une valeur relativement étroite, on obtient une p) us grande amélioration du rapport signalbruit.
L'énergie de sortie de l'amplificateur 19 est appliquée, à travers le commutateur 20 et le conducteur 2', aux lignes dérivées 22 et 23.
La dérivation 22 applique l'énergie reçue à un circuit-porte électronique 24 normalement fermé au passage de l'énergie. Ledit circuitporte est toutefois ouvert pendant des parties prédéterminées du cycle pour laisser passer les parties ehoisies de l'énergie reçue jusqu'aux indicateurs, lorsqu'on le désire.
L'énergie à haute fréquence reçue peut être représentée par la courbe c de la fig. 2. Ladite énergie, bien qu'elle soit représentée avec des variations rectilignes brusques, présenterait dans la réalité un léger arrondissement aux points de transition. Après le passage à travers le récepteur à bande étroite, cet arrondi serait, toutefois, fortement accentué, comme représenté par la courbe d. Ladite énergie peut être ensuite détectée dans le détecteur auxiliaire 25, auquel elle est appliquée à travers la ligne 23, de sorte que la courbe d de la fig. 2 peut représenter la fréquence-enve- loppe du signal détecté.
Ledit signal détecté traverse ensuite un filtre passe-bande d'amplitude 26 qui sert à limiter l'énergie détectée aux deux niveaux ( et d2, courbe d (fig. 2), et l'on obtient une onde de sortie ayant pratiquement la forme représentée par la courbe e de la fig. 2. Un circuit différentiateur et eonfor- mateur 27 (fig. 5) sert à différentier l'énergie limitée et produit une série d'impulsions de la forme représentée à la courbe f de la fig. 2.
Les impulsions positives différentiées et conformées, ou impulsions de commande, sont alors appliquées à un circuit-porte 28 sous la forme d'impulsions rectangulaires de largeur constante, comme représenté par la courbe g (fig. 2). Lesdites impulsions sont prévues d'une largeur suffisante pour ne franchir pratiquement que les impulsions de synchronisation 8. L'onde pulsée différentiée, mais non conformée provenant de 27, est appliquée à un circuit inverseur 29 qui inverse les impulsions de telle manière que celles qui apparaissaient précédemment négatives deviennent positives.
A la sortie de l'inverseur 29, lesdites impulsions sont appliquées au circuit-porte 28 simul- tanément avec les impulsions de commande appliquées directement depuis le différentiateur 27. Il en résulte que seules celles des impulsions de la eourbe g7 qui se produisent au cours de la période d'ouverture du circuitporte traversent ledit circuit-porte et produi- sent le résultat représenté par la courbe h (fig. 2). Ainsi le montage, tel qu'il a été dé- crit jusqu'ici, sert à sélecter les impulsions de synchronisation et à rejeter les parties restantes de l'énergie reçue.
A la sortie du cir- cuit-porte 28, les impulsions sélectées sont appliquées à un générateur 30 produisant une onde sinusoïdale synchronisée suivant les impulsions de synchronisation. Ladite onde sinusoïdale peut être appliquée au diviseur de phase 31 produisant deux ondes sinusoïdales 31a et 31b, courbe j (fig. 2), déphasées suivant 1'espacement relatif des parties du signal correspondant a X-Y et 111N.
Lesdites ondes de phases différentes sont alors appliquées, à travers les lignes 32, à un distributeur de phase réglable 33 qui sert à ajuster la phase des ondes de commande 31a et 31b d'une manière correspondante aux différents seeteurs sélectes, comme indiqué à la fig. 4. Comme représenté à la fig. 2, le circuit est réglé de manière à produire, par l'action de l'inverseur 34 et du générateur d'impulsions de commande de circuit-porte 35, des impulsions de ce type 36 et 37, tourbe le (fig. 2), correspondant en position respectivement aux signaux de X et de Y.
Lesdites impulsions de commande de eireuit-porte sont ensuite appliquées au circuitporte 34 pour laisser passer de l'énergie pendant les intervalles de temps correspondant aux impulsions 36 et 37. Lesdites énergies correspondent aux composantes-Y et Y du signal, comme représenté. Toutefois, en ajus- tant le commutateur de commande 38, le dis tributeur de phase 33 et l'inverseur 34 peuvent être réglés suivant des secteurs différents pour sélecter les signaux désirés à eomparer.
L'énergie à fréquence intermédiaire, âpres avoir traversé le circuit-porte 24, est appliquée, à travers la ligne 39, à un détectent' récepteur 40 et, de là, au relais de commutation 41. Ledit relais de commutation 41 est commandé en relation de temps avee les impulsions de synchronisation, de manière à appliquer l'énergie correspondant, par exem- ple, aux signaux de X, à une ligne de sortie 42, l'énergie correspondant aux signaux de Y étant appliquée à la ligne 43. Cette opération de commutation peut s'effectuer en utilisant l'onde 31a qu'on applique,
à travers un inverseur réglable 44 commandé par un commutateur 38 actionné à la main, au redresseur 45, produisant des impulsions 46, courbe dont la position correspond aux impulsions de JT, 36, de la courbe k. Chaque fois qu'une impulsion 46 est appliquée à un enroulement de relais 47, le contact de relais 48 est commuté, de sa position de connexion avec la ligne 43, à celle de connexion avec la ligne 42. Ainsi, on voit que les impulsions de X et de Y sont distribuées entre les lignes de sortie 42 et 43.
Sur la ligne 42, il est prévu un dispositif affaiblisseur réglable 49, de manière que l'affaiblissement des signaux de X qui sont représentés d'une amplitude plus grande que celle des signaux de Y (courbe na, fig. 2) puisse être ajusté de façon que les deux signaux aient la même amplitude. Lesdits signaux sont appliqués, à travers un autre inverseur 50 commandé par le commutateur 38, à un filtre amortisseur 51 et à un appareil indicateur 52. Etant donné qu'il est désirable, pour pouvoir établir des rapports de comparaison, de ne prévoir un affaiblisseur que sur une seule ligne, le circuit de commutateur 38 est tel que les signaux ayant la plus grande amplitude puissent être sélectes et appliqués à la ligne 42 ou à la ligne 43.
Ainsi, on peut
X établir une distinction entre le rapport
Y et le rapport, de même qu'entre les rapports x
N M
et
M N
Pour lever les indéterminations, il est nécessaire de déterminer le secteur dans lequel l'appareil de mesure de comparaison 52 fonctionne et les rapports des amplitudes des énergies indieatriees. Pour y parvenir, il est prévu un dispositif interrupteur auxiliaire 53 dont la fermeture peut être effectuée à la main et qui sert à shunter l'affaiblisseur 49.
En même temps, la fermeture dudit interrupteur 53 ajuste la commande du sélecteur 38 et les commutateurs distributeur de phase et inverseur correspondants, de manière que les signaux J7 et N soient sélectes et appliqués à l'appareil de mesure 52 sans affaiblissement.
La direction de la déviation de l'index de 1'appareil de mesure 52 indique ainsi le seeteur dans lequel le récepteur fonctionne. Il doit être bien compris que, bien que dans le cas présent, le diagra. mme X-Y ait été repré- senté comme correspondant aux signaux indi cateurs d'azimut et les diagrammes JI-N aux signaux d'identification du secteur, le séleeteur 38 peut être ajusté de telle manière que les diagrammes M et N correspondent aux signaux indicateurs d'azimut, et les diagrammes X et Y aux signaux d'identification du secteur.
Un autre inverseur actionné à la main 54 est prévu dans le circuit de 1'appareil de mesure 52, de sorte que les indications gauche/ droite apparaissent convenablement sur ledit appareil de mesure, que l'avion s'approche de la balise ou qu'il s'en éloigne. Il est évident que lorsque l'avion s'éloigne de la balise, les indications droite/gauehe sont inversées par rapport à leur position lorsque l'avion s'approche de la balise.
Bien qu'en général les signaux soient suffisamment distincts tels qu'ils sont reçus, pour que le circuit sélecteur automatique d'impulsions décrit puisse servir aisément à synchro- niser le système, il est possible que dans des conditions de parasites violents, l'impulsion de synchronisation ne soit pas suffisamment séparée des signaux de balisage pour assurer un fonctionnement convenable du système.
Pour tenir compte de telles éventualités, un appareil à indications visuelles 55 est prévu.
L'énergie de sortie du générateur d'ondes sinu soidales 30 est appliquée, à travers un amplifieateur 56 et un déphaseur 57, aux plaques déviatrices 58 et 59 de l'indicateur 55. En même temps, l'énergie reçue qui n'a pas traversé de circuit-porte est appliquée, à travers les lignes 21 et 60, à l'amplificateur 56 et, de là, à l'indicateur 55, de sorte qu'une repré- sentation visuelle des signaux reçus est assu- rée. L'opérateur peut alors, en ajustant à la main le commutateur de commande 38 tout en observant l'indicateur 55, effectuer la sélec- tion des signaux désirés.
Bien qu'en général le système de balisage décrit ci-dessus fournisse des indications de la position de l'avion sur sa route et puisse également, par l'utilisation de balises à intersection, indiquer la situation approximative dudit avion, il est encore désirable de prévoir un appareillage auxiliaire pour indiquer ladite position si les signaux de balisage deviennent illisibles pour une raison quelconque. A cet effet, il est prévu une antenne dirigée 61 qui peut être couplée, à travers un radiogoniomètre 62 et une ligne 63, à l'entrée du récepteur 19, lorsque les commutateurs 18 et 20 sont abaissés à la position non représentée à la figure. L'énergie de sortie du récepteur 19 est alors appliquée, à travers la ligne 64, à un appareil indicateur de direction 65.
Un moteur 66, qui sert à entraîner le radiogoniomètre 62, actionne simultanément un générateur de courant alternatif 67, pour appliquer une onde de commande à l'indicateur 65. Par comparaison de l'onde de commande du générateur 65 et du signal reçu, on peut détermi- ner la direction d'une station. En accordant le récepteur 19 alternativement sur des stations différentes, on peut obtenir deux lignes directionnelles et calculer la position du récepteur par des méthodes de triangulation bien connues.
En ce qui concerne la navigation aérienne au-dessus des continents, on envisage plusieurs balises différentes espacées, par exemple, comme indiqué en 68 et 69 à la fig. 5. D'au- tres balises disposées d'un côté desdites balises alignées 68 et 69 peuvent produire des radiations à intersection, comme indiqué en 70 et 71. Ainsi, on conçoit qu'un avion, traversant par exemple les trajectoires de balisage obtenues en accordant la balise 68, est à même de vérifier sa position en s'accordant sur les signaux émis par 1'me des autres stations telles que 70 ou 71. En outre, l'utilisation desdites balises auxiliaires permet de lever les indéterminations dans les régions alignées avec les antennes de balisage.
De préférence, le pilote dirigeant un avion suivant ce système de balisage est muni de cartes géographi- ques à zones, analogues à celle représentée à la fig. 6, de sorte qu'il est à même de déterminer aisément sa position sur la route balisée en consultant ladite carte et les différentes indications de signaux reportées sur ladite carte.
En supposant qu'à bord de l'avion les mesures des rapports d'amplitudes sont effectuées entre un rapport 1 : 1 et un rapport de 0, 4 : 1 avee une erreur maximum de l /o, l'ineerti-ladite erreur pour differents azimuts est dontude dans l'indieation de l'angle résultant de née dans le tableau pi-dessous.
Tableau :
Précision obtenue pour une erreur maximum
de l'affaiblisseur de l'/o.
Diagramme Erreur latérale à
angulaire 2500 km 250 km
9, 5 krn 0, 95 km
M-N ou X-Y 15 (345 , 165 , 195 ) 1/3 16 1, 6
X-Y 30 (330 , 150 , 210 ) 121, 2
M-N ou X-Y 50 (310 , 130 , 230 ) ¸ 24 2,4
M-N 70 (290 , 110 , 250 ) 5/8 29,6 3
. 1IN 80 (280 , 100 , 960 ) 1l/2 72 7, 9
.
11N 90 (270 ) 6 990 99
On voit que, dans les directions angulaires les plus favorables, l'erreur est très inférieure à 1 et qu'elle n'excède pas 1 dans toutes les directions, sauf dans des secteurs de 20 de part et d'autre de la ligne reliant les deux antennes. En général, la balise peut être orientée de telle manière qu'il ne soit pas néeessaire d'utiliser des signaux dans lesdits secteurs de détermination insuffisamment préeise. Il est clair que, pour la navigation à grande portée, des écarts de la route de l'ordre de ceux indiqués ei-dessus en degrés et en distance ne sont pas trop importants.
La vécu- rité de fonctionnement de la balise est un facteur beaucoup plus important, pour les grandes portées, que la précision angulaire de la route.
Installation of radio beacons.
The present invention relates to a radio beacon installation and, more particularly, to such an installation which is specially set up to be used at great distance.
In long-range navigation, especially when it comes to guiding airplanes on transoceanic routes, it is desirable that one can establish radio beacons on which one can rely, in such a way that the route can be followed almost continuously.
Due to the great distances between land bases in transoceanic routes, it is essential that such beacons have a range of 2,500 km, or even more. For radio beacons of common range, it was generally considered that the use of relatively short waves was more appropriate. However, owing to the mechanism of shortwave propagation, in long distance transmissions, and to the varying conditions of the ionosphere, it is difficult to establish a shortwave system which universally fulfills the requirements of. time, direction and distance.
Such shortwave stations would require a minimum of three different frequencies to ensure operational safety over the different ranges. In addition, shortwave transmissions are subject to violent and rapid fading and are particularly prone to errors when frame direction finders are used as receiving devices.
As a result of this factor, it appears that a great degree of wave stability cannot be achieved at these shorter wavelengths unless antenna powers of several thousand kilowatts are used. The power requirements of such systems are obviously of very difficult practical realization.
On the other hand, at low frequencies and very low frequencies, the transmission is relatively stable. The variations are generally relatively slow and partial. There is no complete fading of these longer wavelengths during periods of solar activity and their zone of silence effects do not require the use of multiple frequencies at the transmitter. A single low frequency can be used for each of the earth stations of a beacon network.
Despite the greater simplicity of longwave beacons, they have not heretofore been considered to be preferable to shortwave beacons, since in ordinary bandwidths and with practicable powers, the percentage of loss of energy in short-wave reception is on average smaller than in long-wave reception for the same power applied to the antenna. At extremely high powers (of the order of 100,000 watts for a distance of 2,500 km), this disadvantage of long waves is less pronounced, so that they offer a safety roughly equal to that of short waves for a power equal applied to the antenna.
The foregoing could give hope that, for even greater powers, the long waves would offer a higher security than that of the short waves for the same power supply of the antenna, but the use of powers as high for a range 2,500 km was not considered reasonable. In addition, in telegraphy and telephony, said powers are not justified from an economic point of view, since much lower powers ensure a continuity of service of 90 to 95 "/ o. Consequently, for such uses, one tends to prefer short waves which provide better continuity for moderate power.
In the case of a beacon intended for long-distance navigation, even an energy loss of 1 / o is so important that it is necessary to consider obtaining a system ensuring a safety of 99.9 / o. Ignoring the impracticality of handling several tens of kW of power in an antenna of the long-wave type, it emerges from the extrapolation of known data that, for an average power of 15 million watts applied to an antenna, a A suitable long-wave system gives less energy loss than a short-wave system.
Thus, it seems that at these enormous powers, the curves are eroised, so that, for the same power, the long waves then give less attenuation instead of giving more.
Of course, these disproportionate powers could not be realized in practice but, by reducing the width of the band well below that generally used, it is possible to produce with 50 kW a signal-to-noise ratio as great as if the power were several times greater. big. This large signal-to-noise ratio then gives the same exceptional inversion of long waves and short waves in terms of their attenuation percentage.
The radio beacon installation according to the invention can be arranged so as to be able to use powers that are large enough (in relation to the distance to be covered) and bands that are narrow enough for the signal-to-noise ratio to be several times greater than in the past, and to take full advantage of increasing said ratio using long waves (40 to 150 kiloperiods) in application of the above principle that for high signal-to-noise ratios long waves have lower attenuation percentage than shortwave.
In particular, the installation provided for by the invention can be designed to use high enough powers and narrow enough bands so that a distance of 2500 km from the average ground wave is comparable with the average level of atmospheric interference by using long waves
(about 80 kiloperiods).
Because of the safety and simplicity of radio beacons operating at such low frequencies, they are considered particularly suitable for long range air navigation systems, since they provide a high degree of continuity of the radio. service with reasonable antenna powers. However, in order to keep the power relatively low and the effective safety high, it has been found desirable to provide a signaling system introducing sidebands of very low frequency variation.
For example, the carrier of the low frequency band should preferably be below 200 kiloperiods and the modulation should not exceed a frequency band of 300 periods per second. To work with the beacons, the receiver must have a narrow bandwidth of no more than 60 periods per second to ensure a relatively high signal-to-noise ratio.
The installation which is the object of the present invention comprises a transmitter having a certain number of differently directed radiation patterns, which are repeated successively and cyclically in a determined time interval, so as to provide different signal variations and emitting a signal of synchronization between the cyclic periods. Said installation further comprises a receiver having separate output channels, a switch for applying the output signal of the receiver to said output channels, and a device for comparing the signals transmitted on said separate channels.
This installation is characterized in that said receiver comprises a selective circuit responding to said synchronization signal, a selector device whose switching on and off is adjustable over time, this device being provided for selecting a determined pair of said signal variations, and in that said switch applies the receiver output signal to said output channels in synchronism with said two signal variations.
In this installation, the energy can be transmitted periodically at different amplitude levels in different sectors around the beacon, and receiving members can be provided to select energies at two different levels over time and obtain the indication of azimuth by comparison of said energies.
This installation can be such that the energy propagates successively and periodically according to differently directed radiation patterns. The receiver will then comprise members for selecting parts of the energy of two of said diagrams and obtaining the azimuthal position of the receiver with respect to the beacon by comparison of said partial energies.
The receiver will preferably include a beacon indicator responsive to the received energy and indicating the position of the receiver relative to the beaconed route, a direction-finding antenna being associated with said receiver and having a direction-finding indicator to provide additional direction indication.
The following detailed description, made with reference to the accompanying drawing, shows, by way of non-limiting example, one embodiment of the object of the invention.
Fig. 1 is a schematic view of the mounting of the transmitter of a radio beacon.
Fig. 2 is a graphic representation of the periods of excitation useful for explaining the operation of the different parts of the installation.
Fig. 3 is a set of curves with polar coordinates representing the radiation diagrams corresponding to the various operating cycles of the device shown in FIG. 1.
Fig. 4 shows the different angular sectors and the signals which are most suitable for the directional comparison in each of said sectors.
Fig. 5 represents symbolically in the form of rectangles the diagram of a radio beacon receiver.
Fig. 6 is a geographical map showing the use of the installation.
In fig. 1, two antennas radiating long waves are shown in 1 and 2.
They are preferably separated by a distance equal to half a wavelength.
A carrier frequency power source is indicated at 3, its frequency preferably being in the 40 to 150 kiloperiod band.
A phase shift network 4 is provided to vary the phase shift between the energies applied by the source 3 to the antennas 1 and 2 by determined steps. By way of example, the phase adjuster device 4 can comprise two electronic or capacitor switching devices associated with the antennas 1 and 2 which ensure the excitation of said antennas according to different phase relationships.
A simple form of an assembly, in which the antennas are excited successively with different phases, in four sectors starting at 0, 90, 180 and 270 respectively, is used as an example. In the intermediate intervals of this phasing cycle, only one of the antennas is energized to produce a synchronization or timing pulse used in the receiver, as will be apparent from the following description.
In fig. 2, curve a represents the application of energy to antenna 1 and curve b the application of energy to antenna 2 for the operating cycle of the system. On curves a and b, the arrows represent the relative phases of the energy in the two antennas and the dotted lines 5, 6 and 7 on curve a represent the transition points of the phase variations. It will be seen that, at intermediate instants in each operating cycle, timing or synchronization pulses 8 are emitted, as shown on curve b.
The energy which can be received along certain azimuths with respect to the beam axis of the beacon is represented by the curve c.
It will be noted that this signal comprises a synchronization pulse 8 separated on either side by intervals and followed by a period during which the in-phase energy is applied, represented by the line in dotted X. The line in dotted lines M represents another period, during which the energy phase shifted by 90 is applied, the line Y corresponds to the phase shift of 180 of the energy, and the line N to the phase shift of 270. Although, on the curves, the signals have been shown as suddenly changing from one value to another, it should be understood that circuit 4 is preferably set up so that rounded curves or a gradual transition d 'one condition to another,
so as to avoid sidebands at high frequencies. It is desirable that the entire sideband be limited to substantially 300 periods per second, and more preferably 80 periods per second, but the cycles should be chosen such that the essential information is limited to 60 and more preferably 10 periods per second. second.
Fig. 3 represents, in the form of curves with polar coordinates, the various diagrams corresponding to the phase determining positions of the rotary switches.
At the position represented by X (FIG. 2), a symmetrical curve 9 is obtained drawn in solid, reinforced lines. At the position corresponding to the phase shift of 90, a curve 10 is obtained, drawn in thin solid lines, corresponding to the sector ill. Curve 11 represents in reinforced dashed lines the diagram corresponding to switching sector Y, and the distribution corresponding to switching position N is represented in thin dashed lines at 12.
It will be noted that, in different sectors of the circle having for center the beacon, routes with equal signals can be easily determined and that by measuring the energy ratio of some of the diagrams ei defined above, the deviations can be determined from of said roads in a larger part of the circle having the beacon as its center.
To establish which ratios are to be measured in order to determine the bearing angle of the receivers with respect to the beacon, the table with concentric rings of FIG. 4. If we consider that in each case the ratio to be measured is such that the amplitude is always less than unity, the sector can be identified by measuring the ratios of the energies
M X Y N
N z y M as shown in inner concentric ring 13.
The ratio of the amplitudes for the measurement of the angle can be taken in the form of a ratio between said energies according to the indications of the following concentric crown 14. It will be noted here that, except in small sectors adjacent to the line defined by the antennas 1 and 2, the amplitude ratios for the measurement of the angles and the ratios for the identification of the sectors are different, so that we can remove any uncertainties. The different sectors are designated by separate symbols 1 to A inclusive and a to h inclusive, as indicated in crown 15, while the angles having the beacon for vertex are graduated in outer crown 16.
In fig. 5, there is shown a receiver circuit operating in association with the radio beacon of FIG. 1. Returning to FIG. 3, it will be noted that there are four directions (30, 150, 210 and 330) along which the signals corresponding to X and Y of FIG. 2 are of equal amplitude and two directions (0 and 180 ") in which the signals corresponding to I and N have equal intensities, in total six directions with equal signals. However, the system also determines other routes in almost all the other directions This determination is made in the receiver by establishing the ratio of the amplitudes eorzespondant to, and Y or those corresponding to U and N.
In fig. 5, the receiving antenna 17 is coupled, through the switch 18, to the high and medium frequency amplifier circuit 19. Said circuit 19 is preferably tuned so as to capture limited signal energy. to a relatively narrow sideband, on either side of the low frequency received. Preferably, said receiver is designed so as to receive only sidebands equal to or less than 10 periods on either side of the carrier frequency, although the passband may be extended up to 30 periods per second. , or even 60 on either side if desired.
By limiting the energy of the sideband to a relatively narrow value, a great improvement in the signal-to-noise ratio is obtained.
The output energy of amplifier 19 is applied, through switch 20 and conductor 2 ', to branch lines 22 and 23.
The bypass 22 applies the received energy to an electronic gate circuit 24 normally closed to the passage of the energy. Said gate circuit is however open during predetermined parts of the cycle to allow selected parts of the received energy to pass to the indicators, when desired.
The high-frequency energy received can be represented by the curve c in FIG. 2. Said energy, although represented with abrupt rectilinear variations, would in reality show a slight rounding at the transition points. After passing through the narrowband receiver, this rounding would, however, be strongly accentuated, as represented by curve d. Said energy can then be detected in the auxiliary detector 25, to which it is applied through the line 23, so that the curve d of FIG. 2 can represent the envelope frequency of the detected signal.
Said detected signal then passes through an amplitude bandpass filter 26 which serves to limit the energy detected to the two levels (and d2, curve d (FIG. 2), and an output wave is obtained having practically the form shown by curve e in Fig. 2. A differentiator and converter circuit 27 (Fig. 5) serves to differentiate the limited energy and produces a series of pulses of the form shown at curve f in Fig. 2.
The differentiated and shaped positive pulses, or control pulses, are then applied to a gate circuit 28 in the form of rectangular pulses of constant width, as represented by the curve g (FIG. 2). Said pulses are provided of sufficient width to pass substantially only the synchronization pulses 8. The differentiated, but unconformed pulse wave from 27, is applied to an inverter circuit 29 which reverses the pulses in such a way that those which previously appearing negative become positive.
At the output of the inverter 29, said pulses are applied to the gate circuit 28 simultaneously with the control pulses applied directly from the differentiator 27. As a result, only those of the pulses of the curve g7 which occur during of the opening period of the gate circuit pass through said gate circuit and produce the result represented by curve h (fig. 2). Thus the assembly, as described so far, serves to select the synchronization pulses and to reject the remaining parts of the received energy.
At the output of gate 28, the selected pulses are applied to a generator 30 producing a sine wave synchronized with the synchronization pulses. Said sine wave can be applied to the phase divider 31 producing two sine waves 31a and 31b, curve j (Fig. 2), phase shifted according to the relative spacing of the parts of the signal corresponding to X-Y and 111N.
Said waves of different phases are then applied, through the lines 32, to an adjustable phase distributor 33 which serves to adjust the phase of the control waves 31a and 31b in a manner corresponding to the different selected seetors, as shown in fig. . 4. As shown in fig. 2, the circuit is adjusted so as to produce, by the action of the inverter 34 and the gate-circuit control pulse generator 35, such pulses 36 and 37, peat le (Fig. 2) , corresponding in position respectively to the signals of X and Y.
Said gate control pulses are then applied to gate circuit 34 to pass energy during the time intervals corresponding to pulses 36 and 37. Said energies correspond to the Y and Y components of the signal, as shown. However, by adjusting the control switch 38, the phase distributor 33 and the inverter 34 can be set to different sectors to select the desired signals to be compared.
Intermediate frequency energy, after passing through gate circuit 24, is applied, through line 39, to a detector receiver 40 and, from there, to switching relay 41. Said switching relay 41 is controlled in turn. time relation with the synchronization pulses, so as to apply the energy corresponding, for example, to the signals of X, to an output line 42, the energy corresponding to the signals of Y being applied to the line 43. This switching operation can be carried out using wave 31a which is applied,
through an adjustable inverter 44 controlled by a switch 38 actuated by hand, to the rectifier 45, producing pulses 46, a curve whose position corresponds to the pulses of JT, 36, of the curve k. Each time a pulse 46 is applied to a relay winding 47, the relay contact 48 is switched, from its position of connection with line 43, to that of connection with line 42. Thus, it can be seen that the pulses of X and Y are distributed between the output lines 42 and 43.
On line 42, an adjustable attenuator device 49 is provided, so that the attenuation of the signals of X which are shown of a greater amplitude than that of the signals of Y (curve na, Fig. 2) can be adjusted. so that the two signals have the same amplitude. Said signals are applied, through another inverter 50 controlled by switch 38, to a damper filter 51 and to an indicating device 52. Since it is desirable, in order to be able to establish comparison ratios, not to provide an attenuator that on a single line, the switch circuit 38 is such that the signals having the greatest amplitude can be selected and applied to line 42 or line 43.
So we can
X distinguish between the ratio
Y and the ratio, as well as between the ratios x
N M
and
M N
To resolve the uncertainties, it is necessary to determine the sector in which the comparison measuring apparatus 52 operates and the ratios of the amplitudes of the indieatriees energies. To achieve this, an auxiliary switch device 53 is provided which can be closed by hand and which serves to bypass the attenuator 49.
At the same time, closing of said switch 53 adjusts the control of selector 38 and the corresponding phase distributor and inverter switches, so that signals J7 and N are selected and applied to meter 52 without loss.
The direction of the deviation of the index of the meter 52 thus indicates the sector in which the receiver is operating. It should be understood that although in this case the diagra. Even XY has been represented as corresponding to the azimuth indicator signals and the JI-N diagrams to the sector identification signals, the selector 38 can be adjusted so that the diagrams M and N correspond to the indicator signals of azimuth, and X and Y diagrams with sector identification signals.
Another hand operated inverter 54 is provided in the circuit of meter 52, so that left / right indications appear appropriately on said meter whether the aircraft is approaching the beacon or he moves away from it. It is obvious that when the aircraft moves away from the beacon, the right / left indications are reversed with respect to their position when the aircraft approaches the beacon.
Although in general the signals are sufficiently distinct as received so that the automatic pulse selector circuit described can readily be used to synchronize the system, it is possible that under severe interference conditions the synchronization pulse is not sufficiently separated from the beacon signals to ensure proper operation of the system.
To take account of such eventualities, a visual indication device 55 is provided.
The output energy of the sine wave generator 30 is applied, through an amplifier 56 and a phase shifter 57, to the deflector plates 58 and 59 of the indicator 55. At the same time, the received energy which has not A gate pass through is applied, through lines 21 and 60, to amplifier 56 and thence to indicator 55, so that a visual representation of the received signals is ensured. The operator can then, by adjusting the control switch 38 by hand while observing the indicator 55, select the desired signals.
Although in general the beaconing system described above provides indications of the position of the aircraft on its route and can also, through the use of intersection beacons, indicate the approximate location of said aircraft, it is still desirable. to provide auxiliary equipment to indicate said position if the beacon signals become illegible for any reason. For this purpose, a directed antenna 61 is provided which can be coupled, through a direction finder 62 and a line 63, to the input of the receiver 19, when the switches 18 and 20 are lowered to the position not shown in the figure. . The output energy from receiver 19 is then applied, through line 64, to a direction indicating device 65.
A motor 66, which serves to drive the direction finder 62, simultaneously actuates an alternating current generator 67, to apply a control wave to the indicator 65. By comparing the control wave of the generator 65 and the received signal, one can determine the direction of a station. By tuning the receiver 19 alternately to different stations, it is possible to obtain two directional lines and to calculate the position of the receiver by well known triangulation methods.
With regard to air navigation over continents, several different beacons spaced apart, for example, as indicated at 68 and 69 in FIG. 5. Other beacons arranged on one side of said aligned beacons 68 and 69 can produce radiations at intersection, as indicated at 70 and 71. Thus, it is conceivable that an airplane, crossing for example the beacon trajectories obtained by tuning the beacon 68, is able to verify its position by tuning in to the signals emitted by the soul of other stations such as 70 or 71. In addition, the use of said auxiliary beacons makes it possible to remove the uncertainties in the regions aligned with beacon antennas.
Preferably, the pilot directing an airplane according to this beaconing system is provided with geographic zone maps, similar to that shown in FIG. 6, so that it is able to easily determine its position on the marked road by consulting said map and the various signal indications shown on said map.
Assuming that on board the airplane the measurements of the amplitude ratios are made between a ratio of 1: 1 and a ratio of 0, 4: 1 with a maximum error of l / o, the inertia-said error for different azimuths are shown in the indieation of the resulting angle in the table pi below.
Board :
Accuracy obtained for maximum error
of the / o attenuator.
Lateral error diagram at
angular 2500 km 250 km
9, 5 krn 0, 95 km
M-N or X-Y 15 (345, 165, 195) 1/3 16 1, 6
X-Y 30 (330, 150, 210) 121, 2
M-N or X-Y 50 (310, 130, 230) ¸ 24 2.4
M-N 70 (290, 110, 250) 5/8 29.6 3
. 1IN 80 (280, 100, 960) 1l / 2 72 7, 9
.
11N 90 (270) 6 990 99
It can be seen that, in the most favorable angular directions, the error is very much less than 1 and that it does not exceed 1 in all directions, except in sectors of 20 on either side of the line connecting the two antennas. In general, the beacon can be oriented in such a way that it is not necessary to use signals in said insufficiently precise determination sectors. It is clear that, for long range navigation, deviations from the course of the order of those indicated above in degrees and in distance are not too great.
The operating experience of the beacon is a much more important factor, for large ranges, than the angular precision of the course.