Installation de radiogoniométrie et de détermination de distance.
La présente invention a pour objet une installation de radiogoniométrie et de détermination de distance employée notamment pour déterminer à une station fixe la position d'avions.
L'utilisation de radiogoniomètres pour dé- terminer la direction et la position d'avions, en vue du contrôle dans un aéroport a été de pratique usuelle depuis de nombreuses années, la position des avions étant détermi- née par triangulation, au moyen de relèvements pris simultanément par deux stations radiogoniométriques éloignées l'une de l'autre et fonctionnant en liaison. En vue de la prise de ces relèvements, l'avion émet une longueur d'onde donnée et cela d'ordinaire seulement sur demande de la station de com- mande.
Dans un système de détermination de la position d'avions, on faisait usage d'un appa reillage de détection radio-électrique d'obstacles, au moyen duquel la distance était déterminée par une mesure du temps employé par un signal à se propager d'un émetteur terrestre à l'avion et à revenir au voisinage immédiat de la station émettrice, après réflexion sur l'avion. La direction était déterminée en même temps par enregistrement des angles de site et de gisement de l'antenne (à direct- vité poussée) émettriee ou réceptrice, correspondant au maximum de réception du signal réfléchi.
La position de l'obstacle, déterminée de cette manière, pouvait alors être reproduite sur l'écran d'un oscillographe à faisceau cathodique sous la forme fréquemment dénommée indication de position sur plan , la surface de l'écran correspondant à une zone de rayon donné autour de l'émetteur et la position de l'avion étant indiquée par un spot cathodique au point approprié dudit écran. Comme, avee ce procédé, le rôle de l'avion est purement passif, le système de re pérage n'établit aucune distinction entre un avion et un autre et les positions de plusieurs avions peuvent être indiquées simultanément sur le même indicateur de position, sans aucon moyen d'identification individuelle.
Pour pouvoir distinguer les avions entre eux, on a déjà établi des systèmes dans lesquels l'avion joue un rôle actif et est pourvu de moyens de réception du signal rayonné par l'émetteur terrestre et de radiation automati- que du signal, non pas tel qu'il est reçu. mais modulé par une caractéristique distinetive permettant son identification. Un émetteur comportant des organes de modulation spéciaux est alors nécessaire sur l'avion.
L'installation suivant l'invention se distingue des installations connues de la. façon suivante : Elle comprend une station fixe et une station mobile dont on désire déterminer la position, cette station mobile coopérant avec la station fixe. Dans cette installation, la station fixe rayonne une première onde porteuse modulée et la station mobile une seconde onde porteuse dont la fréquence est différente de celle de la première onde porteuse, cette seconde onde porteuse étant modulée en réponse à la modulation de la pre mière onde porteuse, telle qu'elle est reçue à ladite station mobile.
Cette installation est ca- raetérisée en ce qu'elle comprend, à la station fixe, des moyens agencés pour donner automa- tiquement et sur l'écran d'un oscillographe à rayon cathodique, d'une part, une indication de l'azimut de la station mobile en réponse à ladite seconde onde porteuse rayonné et, d'autre part, une indication de la distance entre la station mobile et la station fixe en réponse aux modulations desdites première et seconde ondes porteuses.
De préférence, l'indication de gisement est produite sous forme d'une trace radiale unidirectionnelle, ladite trace servant également de ligne de base pour la mesure de la distance.
L'installation ci-dessus définie peut être utilisée avec avantage dans un aéroport pour se rendre compte de la position d'avions mu- nis d'émetteurs et de récepteurs destinés aux communications et, en particulier, sur les champs d'aviation actuellement desservis par des stations radiogoniométriques coopérant en groupes, de manière à établir un service de détermination de position au moyen d'observations de relèvements croisés.
Une seule station radiogoniométrique est alors nécessaire dans une zone de service donnée ; ceci procure une économie en appareillage et en personnel et une augmentation de la vitesse de fone- tionnement. Un service radiogoniométrique peut être fourni même à partir d'une surface trop limitée pour permettre la prise de relè- vement croisés, par exemple dans le cas d'une base aérienne établie sur une île ou sur un porte-avions.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'objet de l'invention et une variante. Dans ce dessin :
La fig. 1 représente symboliquement, à l'aide de rectangles, une station fixe eonstituant une partie d'une première forme d'exé- cution de l'objet de l'invention.
La fig. 2 représente de la même manière une station mobile fonctionnant en coopération avec la station fixe de la fig. 1.
La fig. 3 est relative à une variante d'une partie de la station fixe de la fig. 1.
En ce qui concerne le dessin, il doit être bien compris que, lorsque les rectangles représentant les appareils élémentaires sont couplés au'moyen d'une ligne unique, ladite ligne doit être comprise comme contenant le nombre de conducteurs nécessaires au couplage efficace des éléments. Il doit également être bien compris que lesdites lignes de eouplage peuvent comprendre des organes amplificateurs ou affaiblisseurs permettant d'obtenir les niveaux d'énergie désirés.
Sur la fig. 1, le numéro de référence 1 dé- signe une source d'ondes électriques locales de fréquence donnée, relativement basse, 80') cycles seconde, dans l'exemple considéré.
Cette source comporte un générateur d'impulsions 2 fournissant des impulsions d'une durée de l'ordre de 5 à 10 microsecondes et ayant une fréquence de récurrence de 8090 cyeles/seconde, à un diviseur de fréquence 3, dont le facteur de division est de 10. L'éner- gie de sortie du diviseur 3 est appliquée à un filtre 4 qui sélectionne la composante ayant la fréquence de 809 eyeles ; seeonde. Cette eomposante est appliquée, par la connexion 5 et le commutateur 6, à l'étage de modulation de l'émetteur radio-électrique 7 qui rayonne de l'énergie modulée sur une longueur d'onde 21, au moyen de l'antenne omnidireetionneUe 8'.
L'émetteur 7 peut être l'émetteur de eom munication normalement utilisé par la station fixe pour communiquer avec la station mobile coopérant avee elle, et avee d'autres stations. Lorsque cet émetteur est utilisé pour les communications, le commutateur 6 est amené de la position 5 à la position 8, position sur laquelle la communication à transmettre est amenée à partir d'une source fournissant la tension de modulation, cette source étant indiquée par la référence 9. Le commutateur 6 est alors dans la position représentée en 10.
Le numéro de référence 11 désigne un système d'antennes directif alimentant un ré cepteur radiogoniométrique automatique 12 sensible à de l'énergie rayonnêe sur une lon- gueur d'onde/. s différente de l'onde/ de l'émetteur 7.
En même temps que ledit récepteur-est utilisé pour l'obtention du relèvement de la station mobile, il peut être utilisé pour les communications téléphoniques et sa. sortie comporte, dans ce but, une voie de commn- nication.
On donnera ci-après une brève description du système radiogoniométrique comprenant les éléments 11. et 12.
Le système d'antennes réceptrices 11 est du type Adcoek et comporte quatre dipôles situés aux angles d'un carré, les paires de di- pôles opposées et placées sur des diagonales étant réunies par des connexions croisées et les deux paires de dipôles ainsi constituées fournissent des tensions respectivement pro portionnelles à sin a et à cos a, où a est l'an- gle compris entre la direction d'arrivée du signal haute fréquence et l'une des paires de dipôles. Un dipôle additionnel, situé au cen- tre du carré, fournit une tension dont]'amplitude est indépendante de la direction de la source du signal.
Les signaux de sortie des paires de dipôles sont convertis, dans le récepteur 12, au moyen de modulateurs équilibrés et d'oscillateurs à basse fréquence, en bandes latérales de la fréquence porteuse originale. Le signal d'une paire de dipôles qu'on désignera, pour plus de commodité, sous le nom de paire Est-Ouest est modulé au moyen d'une tension à cinq kilocyeles seconde. Le modulateur équilibré supprime la fréquence porteuse, mais laisse subsister les bandes latérales supérieure et inférieure résultant de ladite modulation : ces bandes latérales sont d'amplitude proportionnelle au signal fourni par la paire de dipôles au modulateur et dans une certaine relation de phase avec ledit signal.
T) façon analogue, le signal de la seconde paire de dipôle, ou paire Nord-Sud, est modulé par une tension de 6 kilocycles/ seconde, de manière à produire des bandes latérales d'amplitude proportionnelle à celle du signal fourni par la paire de dipôles eor- respondante et dans une certaine relation de phase avec lui.
Les bandes latérales ainsi prodnites par les deux paires de dipôles sont alors appliquées, en même temps que le signal obtenu du dipôle central, à un système ampli ficateur-détecteur commun, aux bornes de sortie duquel on obtient deux tensions : l'une de 5 kilocycles/seeonde, obtenue comme produit de détection du signal du dipôle central et des bandes latérales à 5 kilocyeles/seeonde correspondant à la paire du dipôle Est-Ouest et l'autre de6kiloeycles/seeonde, obtenue à partir du signal du dipole central et des bandes laté- rales à 6 kilocyeles/seeonde correspondant à la paire de dipôles Nord-Sud.
Le signal du di- pôle central est également démodulé en soi, de sorte que les bornes de sortie du système amplificateur-détecteur commun fonrnissent, en plus des deux tensions ci-dessus mentionnées, toute modulation qui peut avoir été appliquée à l'énergie reçue, à la source de radiation de celle-ei. Cette modulation est isolée, au moyen d'un filtre laissant passer une bande de, par exemple, 250 eyeles/seconde à 3000 cycles/seconde, la sortie du filtre étant connectée, par les lignes 3 et 14, à un poste de réception de messages 15 et, également, par leslignesl3 et 16, aux montages déterminateurs de distance ci-après décrits ;
à la sortie dudit système amplificateur détecteur, les tensions à 5 et à 6 kilocycles obtenues sont partiellement séparées par des filtres simples et ensuite appliquées chacune à un détecteur différentiel. Dans l'un desdits détecteurs différentiels, on fait battre la tension à 5 kilocycles obtenue avec une tension à 5 kiloeyel. es/seconde directement empruntée à l'oscillateur de la modulation Est-Ouest, de manière à produire une tension continue de sortie ; dont la bran- deur et le sens varient avee la grandeur et la. phase de la tension à 5 kilocycles/seconde obtenue, c'est-à-dire avee l'amplitude et la phase du signal fourni par la paire de dipôles Est-Ouest.
De même, dans l'autre détecteur différentiel, la tension à 6 kilocycles/ seconde obtenue est amené à battre avec une tension à 6 kilocyeles/seeonde directement empruntée à l'oscillateur de modulation Nord
Sud, de manière à fournir une seconde tension continue de sortie, dont la grandeur et le sens varient avec l'amplitude et la phase du signal fourni par la paire de dipôles Nord-Sud.
L'énergie de sortie du récepteur 12 consiste donc en deux tensions continues, correspondant respectivement, en sens et en grandeur, à des fonctions sinusoïdale et cosi- nusoïdale de l'angle que fait la direction d'arrivée de l'énergie reçue, avec la direction d'une des paires de dipôles, le rapport desdites tensions constituant la tangente (ou la cotangente) dudit angle. Dans le récepteur 12 sont inelus des organes de commande automatique de gain, indiqués en 17, par lesquels, pour un angle de gisement donné, les amplitudes des deux tensions constituées sont rendues pratiquement indépendantes des variations d'intensité de l'énergie reçue, sur une gamme d'intensité prédéterminée.
Les deux tensions continues ainsi obtenues sont appliquées par les lignes 18, 19, à un organe convertisseur 20 fournissant des tensions déviatrices correspondantes aux pla ques déviatrices électrostatiques usuelles de l'oscillographe à faisceau cathodique 21 dont les systèmes d'alimentation sont de type classique et ont été omis sur le dessin pour plus de simplicité.
L'organe convertisseur 20 est un dispositif dans lequel les tensions des plaques déviatrices sont obtenues à partir de condensateurs chargés par lesdites tensions continues à travers des résistances et déchar- gés par des commutateurs électroniques commandés par un générateur d'impulsions ree tangulaires 22 qui est synchronisé par une partie de l'énergie de sortie du diviseur de fréquences 3 et qui fournit des impulsions d'une fréquence de récurrence égale à celle de l'onde locale, c'est-à-dire à 809 cycles/ seconde, dans l'exemple choisi.
La déviation du spot cathodique a lieu sous forme d'une trace de balayage linéaire radiale, indiquée en 23, dont la direction correspond, sous ambiguïté de 180 , à la direction de laquelle les signaux sont reçus et qui est orientéevers l'extérieur à partir du centre de l'écran, le retour du faisceau étant assez rapide pour ne laisser aucune trace visible. La trace de balayage radiale ainsi produite peut être utilisée comme trace d'exploration, répétée à la fréquence dit générateur d'impulsions 22 qui commande les commutateurs électroniques et de durée réglable à l'aide du réseau condensateurs-résistances.
En ce qui concerne la radiogoniométrie, on peut faire varier dans de larges limites la fréquence du générateur d'impulsions, pourvu qu'elle soit assez élevée pour donner une trace sans scintillement et pourvu que les constantes de temps du eircuit des plaques déviatrices conviennent à la fréquence choisie. La fréquence du générateur d'impulsions est déterminée par le fait que l'on utilise la trace comme ligne de balayage pour la détermination de la distance et, pour cette raison, elle est faite égale à la fréquence de modulation appliquée à l'émetteur terrestre, c'est-à-dire à 809 eycles/seeonde.
En réglant convenablement la constante de temps du circuit des plaques déviatrices, on peut obtenir, le long de la trace radiale, une échelle des temps approximativement linéaire, de durée juste supérieure à une demi-période de la modulation de l'émetteur et, en stabilisant les potentiels de déviation au moyen d'un système de commande automatique de gain dans le récepteur, on peut rendre pratique- ment constante la longueur de la ligne tracée.
Comme déjà mentionné, énergie de sortie démodulée du récepteur 12 est appliquée à un montage déterminateur de distance par les lignes 13 et 16. L'onde démodulée est tout d'abord appliquée à un filtre à bande passante étroite, de 809 eycles/seconde, pour éliminer tout bruit d'origine extérieure.
L'onde ainsi filtrée traverse ensuite un régu- lateur de phase 25 servant à compenser les dé phasages indésirables provenant de l'appareillage de la station terrestre fixe et elle est utilisée pour commander un générateur d'im- pulsions abruptes '6, à la fréquence de réeurrence de 809 cycles/seconde, dont la. mise en place dans le temps dépend de la phase de la modulation du signal reçu et dont la durée peut être de l'ordre de 10 microsecondes.
Ces impulsions sont ensuite appliquées à la grille de commande 27 du tube à faiseeau eathodique 21, dans le sens voulu pour augmenter l'éclat du faisceau, avec le résultat que la trace obtenue sur l'écran de l'oscillographe prend la forme d'une ligne radiale sur laquelle apparaît un spot brillant, indiqué en 28, la direction de la ligne correspondant à celle de) a station mobile et la position du spot par rapport à l'origine de la ligne correspondant à la distance de ladite station mobile.
Avee une constante de temps convenable des circuits des plaques déviatrices, on peut admettre que l'exploration de temps le long de la trace radiale est linéaire et, dans ce cas, la distance entre le spot et l'origine de la trace peut être lue sur une graduation et traduite en distance de la station mobile, conformément à la pratique bien connue des détecteurs radio-électriques d'obstacles.
Comme il est difficile de s'assurer que l'exploration de temps est une fonction ri goureusement linéaire de la distance le long de la ligne tracée, on peut obtenir une détermination plus précise de la distance de la station mobile en prévoyant une indication électronique à curseur glissante, de la manière suivante. Une onde à 809 cycles/seconde est fournie, par la source 1, à travers la ligne 29 à l'élément régulateur de phase 30 qui compense les déphasages indésirables et ladite onde traverse ensuite un élément déphaseur variable étalonné 31 et va ensuite vers un second générateur d'impulsions étroites 32 ayant la même fréquence, soit 809 cycles/ seconde.
L'énergie de sortie dudit générateur d'impulsions est appliquée, à travers le com- mutateur à deux directions 33, à la grille de commande de luminosité 27 de l'oscillographe à faisceau cathodique 21, dans un sens tel que les impulsions augmentent la luminosité. Il en résulte que la trace radiale présente deux spots brillants ; le premier correspond à la phase de la modulation reçue, comme expliqué au paragraphe précédent, et le second est dû au générateur d'impulsions 32 ; la mise en place dans le temps du second spot, c'està-dire sa position dépend du réglage de l'élé- ment déphaseur variable 31. On fait varier ce dernier jusqu'à ce que la position du second spot soit amenée en coincidence avee celle du premier.
La variation de phase né- eessaire pour déplacer le second spot depuis la position de distance zéro, c'est-à-dire depuis l'origine de la trace, jusqu'au point de coïncidence est alors une mesure directe du déphasage total entre les modulations émise et reçue et, par suite, une mesure de la distance de la. station mobile, mesure qui est indépendante de la loi de graduation de l'échelle des temps.
Bien que cette méthode du curseur glis sante, de traduction de l'indication de l'écran en une lecture de distance soit précise, elle implique une opération manuelle et, par suite, demande plus de temps que s'il était possible d'obtenir une lecture directe sur l'échelle. Il a donc été prévu une variante dans laquelle une échelle de distance peut être indiquée de façon électronique sur la trace, la position des graduations de ladite échelle 6tant automatiquement ajustée de manière à tenir compte de tout écart que peut présenter la base de temps d'exploration à partir de la linéarité.
Des impulsions étroites sont appliquées, à une fréquence de récurrence exactement décuple de la fréquence de l'onde locale pulsée, à partir du générateur d'impulsions 2, à travers l'inverseur 34, à la grille de commande 27 de l'oscillographe à faisceau catho- dique 21, de la même manière que les impulsions dont il a été question ci-dessus, avec le résultat qu'il apparaît, le long de la trace un certain nombre de spots de repérage fixes et brillants, 1'espacement entre deux de ces spots adjacents représentant toujours un dixième de la distance qui correspond ellemême à une demi-période de l'onde locale, c'est-à-dire à une demi-période de la modulation de l'émetteur 7, indépendamment. de la loi qui relie la distante le long de la trace au temps d'exploration.
La distance de la station mobile peut alors être déterminée rapidement, avee un bon degré de précision, par lecture de la position du spot de distance sur l'éelielle ainsi constituée, en interpolant lorsque c'est nécessaire. Avec une modulation de l'émetteur à 809 cycles/seconde, la distance correspondant à 1'espace compris entre deux repères d'étalonnage adjacents est de 18, 550 kilomètres.
Il est prévu un commutateur 33 permettant de mettre en circuit soit le curseur glis- sant , soit l'échelle d'étalonnage électronique, comme on le désire.
On remarquera que, dans le système jusqu'à présent décrit, toutes les indications sur la trace radiale ont la même forme, celle de spots brillants, qu'elles représentent l'indiea- tion de distance, les repères d'étalonnage ou les indications du curseur glissant . En pratique, il y a d'ordinaire peu de difficultés à distinguer le spot d'indication de distance des autres indications. Toutefois, pour lever tous les doutes, il est prévu un circuit auxiliaire qui transforme les spots d'étalonnage ou de curseur glissante en courtes lignes per pendiculaires à la trace radiale, couvrant un are d'environ 10 , mais qui laisse inchangé le spot d'indication de distance.
Ceci est obtenu en soumettant le faisceau de l'oscillographe à un champ magnétique à haute fréquence, ea raetérisé en ce qu'en tous points à l'intérieur de la région d'efficacité, ledit champ eomporte une composante parallèle à l'axe du faisceau de l'oscillographe et une autre composante radiale par rapport audit axe et per pendiculaire à ladite composante parallèle. Ce champ est produit par une bobine, repré- sentée en 35, concentrique à l'axe du faisceau de l'oscillographe et excitée à partir d'une source 36 de courant alternatif de fréquence relativement basse, d'environ 200 kilocycles/ seconde ; cette fréquence n'est pas un multiple entier de la fréquence de récurrence des impulsions d'étalonnage.
La position optimum de la bobine le long de l'axe de l'oscillographe est déterminée expérimentalement. Un générateur 37 d'impulsions rectangulaires commandé par le générateur d'impulsions 22 et fonctionnant à une fréquence égale à la moi tié de celle de l'onde locale, c'est-à-dire à 404 l/2 cycles/seconde et produisant une onde dont les demi-périodes positives et négatives sont pratiquement égales, est disposé de manière à bloquer alternativement a) le générateur d'impulsions 26 qui fournit l'impulsion indicatrice de distance dérivée du signal reçu et b)
les deux sources d'impulsions 32 et 34 fournissant respectivement les impulsions de marquage de curseur glissant et les impulsions de marquage d'étalonnage d'échelle.
En outre, l'excitation de la source 36 alimentant la bobine de champ 35 est bloquée pendant la période au cours de laquelle l'impulsion indicatrice de distance est appliquée à l'électrode de commande 27. Le résultat en est que les balayages alternés de la trace radiale sont accompagnés par des indications de types entièrement différents, un balayage montrant seulement l'impulsion indicatrice de distance, sous la forme simple d'un spot brillant sur la trace, alors que le balayage suivant montre, suivant la position du commutateur 33, soit les marques de l'échelle de distance, soit la marque déplaeable au moyen de l'élément 31 ;
ces marques se présentent sous la forme de lignes courtes arquées, indiquées en 38, coupant la trace radiale perpendiculairement. A cause de la persistance de la vision, les deux jeux de marques sont visibles simultanément et clairement distinguables l'un de l'autre, la marque de distance étant un spot et toutes les marques d'étalonnage étant de courtes traces arqués.
Sur la fig. 2 qui représente l'appareillage de la station mobile associée en fonctionnement avec la station fixe représentée par la fiv. 1, le récepteur 39, sensible a la longueur d'onde de l'émetteur de la sta- tion fixe, est excité par l'antenne 40. Ce réeepteur peut faire partie de l'appareillage normal de communication de la station mobile. L'émetteur 41 excite l'antenne 42 à. Ja longueur d'onde 22 à laquelle l'appareillage récepteur de la station fixe est sensible et ledit émetteur peut également faire partie de l'appareillage normal de communication de la station mobile.
Des commutateurs 43 et 44 sont prévus et. permettent de eonneeter le récepteur 39 et l'émetteur 41 soit sur une position de communication, en vue de trans mettre des messages en 45, soit sur une autre position où ils sont intercouplés de façon telle que l'énergie de sortie démodulée du réeep- teur soit appliquée, à travers un filtre 46 sensible de façon. sélective à la fréquence de 809 cycles'seconde, c'est-a-dire a la basse fi-6- quence utilisée à la station fixe pour modu ler l'émetteur 7,
et à travers le régulateur de phase 47 qui compense les déphasages inhérents au récepteur 39, à l'émetteur 41 et au filtre 46 ; ceci a pour effet que la phase de la modulation de l'énergie rayonnée par l'an tenne 42 est la même que celle de la modulation de l'énergie reçue sur l'antenne 4. 0 par radiation à partir de l'antenne 8 de la station fixe.
Dans l'exemple considéré, l'émetteur 41 est modulé en amplitude et le récepteur 39 comporte des organes de commande automa- tique de gain désignés par la référence 48 et réglés de façon telle que l'énergie de sortie du récepteur suffise à la modulation de 1'émetteur 4], à toutes les distances compri- ses dans la région de portée normale du sys- tème radiogoniométrique et indicateur de distance.
Les antennes 40 et 42 sont toutes deux omnidirectionnelles, mais elles sont très espa eées l'une de l'autre pour que le couplage effectif entre les circuits récepteur et émetteur, en tenant compte de la différence des longueurs d'onde et de la sélectivité du récepteur, ne soit pas suffisant pour que des oscillations puissent se produire dans la bou- cle formée par le récepteur et l'émetteur de la station mobile.
Comme dans toutes les stations mobiles, l'écartement possible entre les deux antennes est d'ordinaire tx'es limité, il peut être nécessaire de munir le récepteur 39 de bouclions de résonance ayant une atténuation sélective très élevée sur la longueur d'onde de l'émetteur 2-
La fig. 3 se rapporte à une variante de ] a disposition de la fig. 1 ; cette variante concerne l'appareil indiqué sur ladite figure par le numéro de référence 1 et encadré par un trait interrompu.
Cet appareil est remplacé, sur la fig. 3, par un oscillateur à 809 cycles,' seconde, fournissant par lui-même l'onde locale à basse fréquence, son énergie de sortie étant appliquée à l'émetteur 7 par la connexion 5 et au régulateur de phase 30 par la eonnexion 29 et, d'autre part, au générateur d'impulsions de balayage de temps 22, par la connexion 49 ; dans ce cas, la synchronisation du générateur d'impulsions 22 est eomman- dée à partir de l'oseillateur 48 au lieu de l'être à partir de la sortie du diviseur de fré- quence 3.
L'énergie de sortie de l'oscillateur 48 est appliquée à un multiplicateur de fré- quence 50 ayant un facteur de multiplication de 10 et dont l'énergie de sortie est appliquée à la commande de synchronisation du générateur d'impulsions 2 ayant une fréquence de récurrence 8090 eyeles/seeonde et servant de source d'impulsions d'étalonnage de l'échelle de distance exactement comme sur la fig. 1.
Mais, comme le générateur d impulsions 5, dans la disposition de la fig. 3, na pas d'autre fonction que celle de fournir des impulsions d'étalonnage, l'inverseur d'impulsions 34 peut être supprimé et l'énergie de sortie du générateur 2 peut etre appliquée, à tra- vers le commutateur 33, à l'électrode 27 de l'oscillographe à faisceau cathodique 21.
Dans ce eas, les impulsions de blocage du généra- teur d'impulsions 37, utilisées pour distin- guer les indications d'étalonnage du spot indieateur de distance, sont appliquées a. un dispositif de blocage du générateur d'impulsions 2 et non à l'inverseur 34. La disposition de la fig. 3 présente un avantage sur celle qui est décrite en regard de la fig. 1 ; elle permet une certaine simplification, en supprimant la nécessité de inverseur 34. Toutefois, cet avantage est compensé à un certain degré par la diminution de stabilité des relations de phase entre la source d'impulsions d'étalonnage et la source basse fréquence qui eommande l'ensemble du système.
On décrira maintenant le fonctionnement de l ensemble du système lorsqu il est utilisé pour la navigation aérienne, la station fixe étant alors une station de commande d'aéro- port et la station mobile se trouvant sur un avion. Il est évident toutefois que ce système n'est pas susceptible d'être utilisé seulement pour la navigation aérienne, mais qu'il peut être utilisé pour la détermination de la position des navires ou autres stations mobiles de toutes sortes.
La station de commande de l'aéroport entre en contact avec l'avion dont on désire déterminer la position, par la voie normale de radiocommunication. L'émetteur 7, faisant partie de l'appareillage de la station de commande, transmet alors, sur l'onde Al, pendant une courte période, un signal de modulation dont la fréquence de 809 cycleslseconde est déterminée par le rayon dans lequel le service de détermination de position est à assurer.
Pendant la même période, le récepteur 48 de l'avion, qui est accordé sur l'émetteur terrestre 7 a sa sortie à basse fréquence conneetée à l'émetteur 41 de l'avion, fonctionnant ; sur une onde différente 2, de manière à moduler l'énergie de sortie dudit émetteur à la fréquence dudit signal de modulation, c'est à-dire à 809 cycles/seconde. La phase de cette modulation appliquée à l'émetteur de l'avion est déterminée par la phase de la modulation de l'émetteur terrestre et par le retard de phase dû au temps employé par le signal pour se propager sur la distance qui sépare l'émetteur de l'avion et, bien entendu, par tout retard de phase susceptible de se produire dans l'appareillage de l'avion.
Le signal ainsi émis par l'avion est reçu par le système radiogoniométrique de la station de l'aéroport et est reproduit sur l'écran du tube à faisceau cathodique 21 sous forme d'une trace radiale 23 dont la direction indique la direction de laquelle le signal a été reçu.
Cette trace est constituée par un balayage répété du faisceau de l'oscillographe entre sa position de repos et un point dont la position est déterminée par les tensions obtenues de l'appareillage radiogoniométrique, la fréquence de récurrence de ce balayage étant de 809 cycles/seconde, c'est-à-dire égale à la fréquence de modulation de l'émetteur terrestre 7. Ce balayage est de type unidirectionnel, c'est-à-dire que seule l'élonga- tion dirigée vers l'extérieur, e'est-à-dire à partir de la position de repos, est visible, l'élongation de retour se faisant à une vitesse assez élevée pour qu'elle soit pratiquement invisible.
En plus de son utilisation pour fournir une indication de direction, comme ci-dessus décrit, le signal de l'émetteur 41 de l'avion est démodulé et une impulsion dont la position dans le temps dépend de la phase du signal démodulé est reproduite sur la trace ci-dessus indiquée.
Si l'on donne à la phase de la tension de balayage de la trace radiale la même valeur qu'à celle de la tension de modulation de l'émetteur terrestre, et si l'on compose au moyen du régulateur de phase 25 toute variation de phase produite uniquement dans l'appareil (cette variation étant constante pour une fréquence donnée) alors, dans ce cas, la distance comprise entre l'impulsion indicatrice et l'origine de la trace dépend uniquement du temps de propagation employé pour la transmission à partir de l'émetteur terrestre jusqu'au récepteur de l'avion et de l'émetteur de l'avion jusqu'au récepteur terrestre, ce temps étant une fonction de la distance de l'avion. Le retard de phase total dû au temps de propagation est de 720 //c, où f est la fréquence de modulation, d la distance de l'avion et c la vitesse de propagation.
Si l'on choisit, par exemple, f égal à 809 cy cles/seconde, cela permet de recevoir des indications de distance jusqu'à un peu plus de 90 kilomètres et cela sans que le dépha- sage dépasse 180 . La traduction de la position du spot à partir de l'origine de la trace en lecture de distance dépend de la fonction qui relie le déplacement du faisceau le long de la trace avec le temps. Si cette loi est strictement linéaire, la distance du spot à l'origine est une mesure directe (te la distance entre la station et l'avion.
Si la loi n'est pas strictement, linéaire, on peut faire apparaître, sur la trace, des impulsions d'étalonnage (38) tirées du générateur d'impulsions 2 et qui sont appliquées à l'oscillographe par l'inverseur d'impulsions 34 et le commutateur 33.
Selon une variante, un spot d'étalonnage mo- bile peut être prod-ait par le générateur d'im- pulsions 32, ce spot est déplacé au moyen du déphaseur variable 31 et l'impulsion qui le produit est appliquée au tube à travers le commutateur 33. La phase correspondant à la position du spot peut alors être mesurée et multipliée ensuite par le facteur approprié pour donner la distance de l'avion. Ces deux méthodes d'obtention d'un étalonnage électronique ont déjà été décrites à propos de l'appareillage de la station terrestre replaé- senté à la fig. 1 et à propos de la variante de la fig. 3.
Comme mentionné plus haut, l'émetteur de l'avion et le récepteur au sol fonc- tionnent sur une longueur d'onde diffé- rente de celle de l'émetteur au sol. On évite ainsi que la station terrestre ne soit sensible e des signaux réfléchis sur des avions ou d'autres obstacles tels que des hangars. De plus, bien qu'un certain nombre d'avions puissent se trouver à l'intérieur de la zone de service, la retransmission d'une tension de modulation prédéterminée n'est faite que par le seul avion auquel le contr6leur de l'aéroport a donné l'ordre de la faire.
Il ne peut done y avoir aucun risque que la position observée soit attribuée à un avion autre que l'avion correct.
Le choix des longueurs d'onde utilisée par l'émetteur au sol et par 1'avion n'est limité par aucune exigenee du système si ce n'est que la différence entre les deux longueurs d'onde doit être suffisante pour éviter le brouillage entre elles, soit dans la station terrestre, soit dans la station de l'avion, que la longueur d'onde utilisée entre l'avion et le sol convienne aux opérations de radiogoniométrie, à la portée de service désirée et qu'il n'y ait aucun risque de transmission à trajectoires multiples, dans un sens ou dans l'autre. En pratique, cette dernière condition est généralement satisfaite lorsqu'on utilise la gamme des ondes utilisées en télévision, ces ondes étant peu réfléchies sur l'ionospere.
Le type de modulation à utiliser est éga- lement sans limitation pourvu que les systè- mes démodulateurs soient de type approprié.
Dans la forme d'exécution de l'objet de l'in- vention décrite ci-dessus, l'émetteur de l'avion est module en amplitude, mais la modulation en fréquence ou par impulsions pourrait également-bien être utilisée a, l'un des émetteurs ou aux deux, à condition que l'appareil récepteur et, plus particulièrement, le sys- tème radiogoniométrique soient adaptes au fonctionnement sur des ondes modulées de cette manière.
Quel que soit le type de modu- lation utilisé, les caractéristiques essentielles sont que la forme d'onde de la modulation de la station terrestre soit transférée à l'émetteur de l'avion et qu'il soit prévu des organes d'indication de la différence de phase entre la modulation du signal émis à la station terrestre et la modulation reçue à ladite station terrestre, après retransmission par l'avion
Parmi ces organes, certains doivent être prévus pour compenser les retards de phase dans les appareils eux-mêmes, de manière que la différence de phase effectivement mesurée ne corresponde qu'à la différence de phase due à la propagation sur le trajet aller et retour entre la station terrestre et l'avion dont la position est à indiquer.
Les différents circuits disposés sur des avions différents ne produi- sent pas tous les mêmes variations de phase et, par suite, il et généralement préférable de compenser lesdits déphasages par un réseau réglable réglé une fois pour toutes sur chaque avion, comme dans la forme d'exécution décrite en regard de la fig. 2.
Pour plus de commodité, on a désigné l'appareillage au sol par l'expression de station fixe ou par celle de station terrestre. Ces termes doivent être compris comme n'indiquant pas que tout l'appareillage est contenu dans un bâtiment unique, mais seulement qu'il constitue une unité de fonetionnement.
En pratique, l'émetteur terrestre et l'antenne qui lui est associée peuvent être situés à une distance considérable de l'appareillage récepteur et le système indicateur à oscillographe cathodique sur lequel la position est reproduite peut être situé encore en un autre point.
Par exemple, dans une réalisation pratique de l'installation selon l'invention, le système de l'oscillographe est situé sur une tour de commande d'aéroport, à une distance de la sta tion réceptrice d'environ 1600 mètres ; il est actionné à partir de ladite station par un système de commande à distance qui transmet sur des lignes les tensions de déviation et autres tensions nécessaires à la production de l'indication sur l'écran. L'émetteur associé est encore situé en un autre point distant de la station réceptrice d'environ 800 mètres. Si l'émetteur et le récepteur de la station fixe sont largement espacés, il est nécessaire de faire une correction lors de la détermination de distance, ladite correction augmentant en valeur à mesure que la station mobile approche du système et variant avec la direction d'approche.
Cette correction peut se faire en transférant les indications de l'oscillographe sur une carte construite suivant une projee- tion spéciale pour tenir compte des positions relatives des parties émettrices et réceptrices de la station terrestre, le tout conformément à une technique connue.
Comme la station terrestre émet et reçoit des ondes différentes, les systèmes d'antennes émetteur et récepteur peuvent être du type omnidirectionnel, c'est-à-dire être susceptibles de transmettre, d'une part, et de déterminer la direction des signaux, d'autre part, dans toutes les directions, l'ensemble du système peut donc être dénommé de type omnidiree- tionnel.
Bien que la forme d'exécution ci-dessus décrite soit établie pour fonctionner normalement sur un rayon de service pouvant atteindre 90 kilomètres avec lecture directe de distance soit par étalonnage de l'échelle, soit par la méthode du curseur électronique glissant , ladite portée peut être prolongée de manière à couvrir un rayon compris entre 90 et 180 kilomètres, en effectuant une simple inversion de la phase du signal de modulation par rapport à la phase de la tension de commande de la base de temps de la trace radiale ; dans ce cas, on effectue tout d'abord la lecture de la distance indiquée comme précédemment et, ensuite, on additionne les 90 kilomètres qui correspondent à l'inversion de phase.
Il est évident que les organes de déphasage destinés à compenser les variations de phase inhérentes aux appareils émetteurs et récepteurs en eux-mêmes, sur l'avion et à terre, peuvent être soit concentres en un seul point, soit distribués dans tout le système ; ces orga- nes peuvent soit retarder le déclenchement de la trace radiale apparaissant sur 1'oseillogra- phe d'un temps égal au retard causé par lesdits appareils, àl'impulsion produisant le spot, soit compenser directement la variation de phase produite dans chaque appareil par un déphasage de sens opposé, soit effectuer une correction par ces deux méthodes à la fois.
Il est également évident qu'on peut uti- liser d'autres systèmes radiogoniométriques que celui qui est décrit en regard de la fig. 1.
Il est seulement nécessaire que le système radiogoniométrique fournisse nne indieation susceptible d'être reproduite eomme ci-dessus.
Par exemple, les paires d'antennes Adcock peuvent être remplacées par deux cadres croi- sés, chacun de ces cadres alimentant son propre récepteur, de manière à produire une tension qui soit une fonction sinusoïdale ou cosinusoïdale du relèvement. De plus. il n'est pas nécessaire que l'onde basse fréquence locale utilisée pour déterminer la distance soit tirée de l'énergie reçue par l'appareillage radiogoniométrique. Un réeep- teur séparé peut aussi être utilisé dans ce but.
Installation of direction finding and distance determination.
The present invention relates to a direction finding and distance determination installation used in particular to determine the position of aircraft at a fixed station.
The use of direction finders to determine the direction and position of airplanes for control in an airport has been common practice for many years, the position of airplanes being determined by triangulation, by means of bearings. taken simultaneously by two direction-finding stations distant from each other and operating in conjunction. In order to take these bearings, the airplane transmits a given wavelength and this usually only on request from the command station.
In a system for determining the position of aircraft, use was made of radio-electric obstacle detection apparatus, by means of which the distance was determined by a measure of the time taken by a signal to propagate from one side to the other. a terrestrial transmitter to the aircraft and to return to the immediate vicinity of the transmitting station, after reflection on the aircraft. The direction was determined at the same time by recording the elevation and bearing angles of the transmitting or receiving antenna (with high directionality), corresponding to the maximum reception of the reflected signal.
The position of the obstacle, determined in this way, could then be reproduced on the screen of a cathode beam oscillograph in the form often called position indication on a plane, the surface of the screen corresponding to a zone of radius given around the transmitter and the position of the aircraft being indicated by a cathode spot at the appropriate point on said screen. As, with this process, the role of the airplane is purely passive, the tracking system does not distinguish between one airplane and another and the positions of several airplanes can be indicated simultaneously on the same position indicator, without no means of individual identification.
In order to be able to distinguish between airplanes, systems have already been established in which the airplane plays an active role and is provided with means for receiving the signal radiated by the terrestrial transmitter and for automatically radiating the signal, not such. that it is received. but modulated by a distinctive characteristic allowing its identification. A transmitter with special modulation devices is then necessary on the aircraft.
The installation according to the invention differs from the known installations of the. as follows: It comprises a fixed station and a mobile station whose position it is desired to determine, this mobile station cooperating with the fixed station. In this installation, the fixed station radiates a first modulated carrier wave and the mobile station a second carrier wave the frequency of which is different from that of the first carrier wave, this second carrier wave being modulated in response to the modulation of the first wave. carrier, as received at said mobile station.
This installation is characterized in that it comprises, at the fixed station, means arranged to give automatically and on the screen of a cathode ray oscillograph, on the one hand, an indication of the azimuth. of the mobile station in response to said second radiated carrier wave and, on the other hand, an indication of the distance between the mobile station and the fixed station in response to modulations of said first and second carrier waves.
Preferably, the bearing indication is produced in the form of a unidirectional radial trace, said trace also serving as a baseline for the measurement of the distance.
The installation defined above can be used with advantage in an airport to ascertain the position of airplanes equipped with transmitters and receivers intended for communications and, in particular, on the airfields currently served. by direction-finding stations cooperating in groups, so as to establish a position determination service by means of cross-bearing observations.
Only one direction-finding station is then necessary in a given service area; this results in a saving in equipment and personnel and an increase in the speed of operation. Direction-finding service can be provided even from too small an area to allow cross-bearings to be taken, for example in the case of an air base established on an island or on an aircraft carrier.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the object of the invention and a variant. In this drawing:
Fig. 1 symbolically represents, with the aid of rectangles, a fixed station constituting a part of a first embodiment of the object of the invention.
Fig. 2 likewise shows a mobile station operating in cooperation with the fixed station of FIG. 1.
Fig. 3 relates to a variant of part of the fixed station of FIG. 1.
With regard to the drawing, it should be understood that, when the rectangles representing the elementary devices are coupled through a single line, said line should be understood as containing the number of conductors necessary for the efficient coupling of the elements. It should also be clearly understood that said coupling lines can include amplifying or weakening members making it possible to obtain the desired energy levels.
In fig. 1, the reference numeral 1 denotes a source of local electric waves of given frequency, relatively low, 80 ') cycles second, in the example considered.
This source comprises a pulse generator 2 providing pulses with a duration of the order of 5 to 10 microseconds and having a repetition frequency of 8090 cyeles / second, at a frequency divider 3, the division factor of which is of 10. The output energy of divider 3 is applied to a filter 4 which selects the component having the frequency of 809 eyeles; seeonde. This component is applied, by connection 5 and switch 6, to the modulation stage of the radio-electric transmitter 7 which radiates modulated energy on a wavelength 21, by means of the omnidirectional antenna. 8 '.
The transmitter 7 can be the communication transmitter normally used by the fixed station to communicate with the mobile station cooperating with it, and with other stations. When this transmitter is used for communications, switch 6 is brought from position 5 to position 8, the position to which the communication to be transmitted is brought from a source supplying the modulation voltage, this source being indicated by the reference 9. Switch 6 is then in the position shown at 10.
Reference numeral 11 denotes a directional antenna system feeding an automatic direction-finding receiver 12 responsive to energy radiated over a wavelength /. s different from wave / transmitter 7.
At the same time that said receiver is used for obtaining the bearing of the mobile station, it can be used for telephone communications and sa. for this purpose, the output includes a communication channel.
The following is a brief description of the direction finding system comprising items 11 and 12.
The receiving antenna system 11 is of the Adcoek type and comprises four dipoles situated at the angles of a square, the pairs of opposing dipoles placed on diagonals being joined by cross connections and the two pairs of dipoles thus formed provide voltages respectively proportional to sin a and to cos a, where a is the angle between the direction of arrival of the high frequency signal and one of the pairs of dipoles. An additional dipole, located in the center of the square, supplies a voltage the amplitude of which is independent of the direction of the signal source.
The output signals of the dipole pairs are converted, in receiver 12, by means of balanced modulators and low frequency oscillators, into sidebands of the original carrier frequency. The signal from a pair of dipoles, which will be referred to as the East-West pair for convenience, is modulated by means of a voltage at five kilocycles seconds. The balanced modulator removes the carrier frequency, but leaves the upper and lower sidebands resulting from said modulation: these sidebands are of amplitude proportional to the signal supplied by the pair of dipoles to the modulator and in a certain phase relationship with said signal .
T) analogously, the signal of the second dipole pair, or North-South pair, is modulated by a voltage of 6 kilocycles / second, so as to produce lateral bands of amplitude proportional to that of the signal supplied by the pair of corresponding dipoles and in a certain phase relation with it.
The lateral bands thus produced by the two pairs of dipoles are then applied, at the same time as the signal obtained from the central dipole, to a common amplifier-detector system, at the output terminals of which two voltages are obtained: one of 5 kilocycles / second, obtained as the product of detection of the signal of the central dipole and of the sidebands at 5 kilocyeles / second corresponding to the pair of the East-West dipole and the other of 6 kilocycles / second, obtained from the signal of the central dipole and 6 kilocyeles / second wave side bands corresponding to the pair of North-South dipoles.
The central di-pole signal is also demodulated per se, so that the output terminals of the common amplifier-detector system will, in addition to the two above-mentioned voltages, carry any modulation which may have been applied to the received energy. , at the source of radiation of it. This modulation is isolated, by means of a filter allowing a band of, for example, 250 eyeles / second to pass at 3000 cycles / second, the output of the filter being connected, via lines 3 and 14, to a reception station of messages 15 and, also, by leslignesl3 and 16, to the distance determining assemblies described below;
at the output of said amplifier detector system, the voltages at 5 and 6 kilocycles obtained are partially separated by simple filters and then each applied to a differential detector. In one of said differential detectors, the voltage at 5 kiloeyels obtained with a voltage at 5 kiloeyels is made to beat. es / second taken directly from the oscillator of the east-west modulation, so as to produce a continuous output voltage; whose stretcher and meaning vary with size and. phase of the voltage at 5 kilocycles / second obtained, that is to say with the amplitude and the phase of the signal supplied by the pair of East-West dipoles.
Likewise, in the other differential detector, the voltage at 6 kilocycles / second obtained is caused to beat with a voltage at 6 kilocyeles / second directly borrowed from the North modulation oscillator.
South, so as to provide a second DC output voltage, the magnitude and direction of which vary with the amplitude and phase of the signal supplied by the pair of North-South dipoles.
The output energy of the receiver 12 therefore consists of two direct voltages, corresponding respectively, in direction and in magnitude, to sinusoidal and cosinusoidal functions of the angle formed by the direction of arrival of the received energy, with the direction of one of the pairs of dipoles, the ratio of said voltages constituting the tangent (or cotangent) of said angle. In the receiver 12 are included automatic gain control members, indicated at 17, by which, for a given bearing angle, the amplitudes of the two voltages formed are made practically independent of the variations in intensity of the energy received, on a predetermined intensity range.
The two DC voltages thus obtained are applied via lines 18, 19, to a converter member 20 supplying deflector voltages corresponding to the usual electrostatic deflector plates of the cathode beam oscillograph 21 whose power systems are of the conventional type and have been omitted from the drawing for simplicity.
The converter member 20 is a device in which the voltages of the deflector plates are obtained from capacitors charged by said DC voltages through resistors and discharged by electronic switches controlled by a tangular pulse generator 22 which is synchronized by a part of the output energy of frequency divider 3 and which provides pulses with a repetition frequency equal to that of the local wave, i.e. at 809 cycles / second, in the example chosen.
The deviation of the cathode spot takes place as a radial linear scan trace, indicated at 23, the direction of which corresponds, under ambiguity of 180, to the direction from which the signals are received and which is oriented outward from from the center of the screen, the return of the beam being fast enough to leave no visible trace. The radial scan trace thus produced can be used as an exploration trace, repeated at the so-called pulse generator frequency 22 which controls the electronic switches and of adjustable duration using the capacitor-resistance network.
With regard to direction finding, the frequency of the pulse generator can be varied within wide limits, provided that it is high enough to give a flicker-free trace and provided that the time constants of the circuit of the deflector plates are suitable for use. the chosen frequency. The frequency of the pulse generator is determined by the fact that the trace is used as a scan line for the determination of the distance and, for this reason, it is made equal to the modulation frequency applied to the terrestrial transmitter. , that is, 809 eycles / seeonde.
By suitably adjusting the time constant of the deflector plate circuit, an approximately linear time scale can be obtained along the radial trace, of duration just greater than half a period of the modulation of the transmitter and, in by stabilizing the deviation potentials by means of an automatic gain control system in the receiver, the length of the drawn line can be made practically constant.
As already mentioned, demodulated output energy from receiver 12 is applied to a distance determiner assembly through lines 13 and 16. The demodulated wave is first applied to a narrow band pass filter, 809 eycles / second, to eliminate any noise of external origin.
The wave thus filtered then passes through a phase regulator 25 to compensate for unwanted shifts from the equipment of the fixed earth station and is used to control a steep pulse generator 6, at the same time. frequency of 809 cycles / second, including the. implementation in time depends on the phase of the modulation of the signal received and the duration of which may be of the order of 10 microseconds.
These pulses are then applied to the control grid 27 of the eathodic beam tube 21, in the direction desired to increase the brightness of the beam, with the result that the trace obtained on the screen of the oscillograph takes the form of a radial line on which appears a bright spot, indicated at 28, the direction of the line corresponding to that of) a mobile station and the position of the spot with respect to the origin of the line corresponding to the distance from said mobile station.
With a suitable time constant of the circuits of the deflector plates, it can be assumed that the time exploration along the radial trace is linear and, in this case, the distance between the spot and the origin of the trace can be read. on a scale and translated into a distance from the mobile station, in accordance with the well-known practice of radio-electric obstacle detectors.
Since it is difficult to ensure that the time scan is a very linear function of the distance along the drawn line, a more accurate determination of the distance from the mobile station can be obtained by providing an electronic indication at sliding cursor, as follows. A wave at 809 cycles / second is supplied, by source 1, through line 29 to phase regulator element 30 which compensates for unwanted phase shifts and said wave then passes through a calibrated variable phase shifter element 31 and then goes to a second narrow pulse generator 32 having the same frequency, ie 809 cycles / second.
The output energy of said pulse generator is applied, through the two-way switch 33, to the brightness control grid 27 of the cathode beam oscillograph 21, in a direction such that the pulses increase the brightness. brightness. As a result, the radial trace has two bright spots; the first corresponds to the phase of the received modulation, as explained in the previous paragraph, and the second is due to the pulse generator 32; the positioning of the second spot over time, that is to say its position depends on the setting of the variable phase shifter element 31. The latter is varied until the position of the second spot is brought into coincidence with that of the first.
The phase variation necessary to move the second spot from the zero distance position, i.e. from the origin of the trace, to the point of coincidence is then a direct measure of the total phase shift between the emitted and received modulations and, consequently, a measure of the distance from the. mobile station, measurement which is independent of the law of graduation of the time scale.
Although this sliding cursor method of translating the screen indication into a distance reading is accurate, it involves manual operation and, therefore, takes more time than if it were possible to obtain a direct reading on the scale. A variant has therefore been provided in which a distance scale can be indicated electronically on the trace, the position of the graduations of said scale being automatically adjusted so as to take account of any deviation that the time base may present. exploration from linearity.
Narrow pulses are applied, at a repetition rate exactly tenfold of the frequency of the pulsed local wave, from the pulse generator 2, through the inverter 34, to the control gate 27 of the oscillograph at cathodic beam 21, in the same way as the pulses discussed above, with the result that there appears along the trace a number of fixed and bright locating spots, the spacing between two of these adjacent spots always representing a tenth of the distance which itself corresponds to a half-period of the local wave, that is to say to a half-period of the modulation of the transmitter 7, independently. of the law which connects the distance along the track to the exploration time.
The distance from the mobile station can then be determined quickly, with a good degree of precision, by reading the position of the distance spot on the elielle thus formed, by interpolating when necessary. With modulation of the transmitter at 809 cycles / second, the distance corresponding to the space between two adjacent calibration marks is 18, 550 kilometers.
A switch 33 is provided for switching on either the sliding cursor or the electronic calibration scale, as desired.
It will be noted that, in the system so far described, all the indications on the radial trace have the same shape, that of bright spots, whether they represent the distance indication, the calibration marks or the indications. sliding cursor. In practice, there is usually little difficulty in distinguishing the distance indicating spot from other indications. However, to remove all doubts, an auxiliary circuit is provided which transforms the calibration or sliding cursor spots into short lines perpendicular to the radial trace, covering an are of about 10, but which leaves the spot d unchanged. 'distance indication.
This is achieved by subjecting the beam of the oscillograph to a high frequency magnetic field, eg reeterized in that at all points within the region of efficiency, said field has a component parallel to the axis of the beam of the oscillograph and another component radial with respect to said axis and perpendicular to said parallel component. This field is produced by a coil, represented at 35, concentric with the axis of the oscillograph beam and excited from a source 36 of alternating current of relatively low frequency, of about 200 kilocycles / second; this frequency is not an integer multiple of the recurrence frequency of the calibration pulses.
The optimum position of the coil along the axis of the oscillograph is determined experimentally. A generator 37 of rectangular pulses controlled by the pulse generator 22 and operating at a frequency equal to half that of the local wave, that is to say at 404 l / 2 cycles / second and producing a wave whose positive and negative half-periods are practically equal, is arranged so as to alternately block a) the pulse generator 26 which supplies the distance indicating pulse derived from the received signal and b)
the two pulse sources 32 and 34 respectively supplying the sliding cursor marking pulses and the scale calibration marking pulses.
Further, the excitation of the source 36 supplying the field coil 35 is blocked during the period in which the distance indicating pulse is applied to the control electrode 27. The result is that the alternating scans of the radial trace are accompanied by indications of entirely different types, one sweep showing only the distance indicating pulse, in the simple form of a bright spot on the trace, while the next sweep shows, depending on the position of switch 33 , either the marks of the distance scale, or the mark movable by means of the element 31;
these marks are in the form of short arcuate lines, indicated at 38, intersecting the radial trace perpendicularly. Because of persistence of vision, the two sets of marks are simultaneously visible and clearly distinguishable from each other, with the distance mark being a spot and all calibration marks being short, arched traces.
In fig. 2 which represents the equipment of the associated mobile station in operation with the fixed station represented by fiv. 1, the receiver 39, sensitive to the wavelength of the transmitter of the fixed station, is excited by the antenna 40. This receiver can form part of the normal communication equipment of the mobile station. The transmitter 41 energizes the antenna 42 to. Ja wavelength 22 to which the receiving equipment of the fixed station is sensitive and said transmitter can also form part of the normal communication equipment of the mobile station.
Switches 43 and 44 are provided and. allow the receiver 39 and the transmitter 41 to be eonneeter either on a communication position, with a view to transmitting messages to 45, or to another position where they are intercoupled in such a way that the demodulated output energy of the reep- tor is applied, through a filter 46 so sensitive. selective at the frequency of 809 cycles' seconds, that is to say at the low fi-6- frequency used at the fixed station to modulate the transmitter 7,
and through the phase regulator 47 which compensates for the phase shifts inherent in the receiver 39, the emitter 41 and the filter 46; this has the effect that the phase of the modulation of the energy radiated by the antenna 42 is the same as that of the modulation of the energy received on the antenna 4. 0 by radiation from the antenna 8 from the fixed station.
In the example considered, the transmitter 41 is amplitude modulated and the receiver 39 comprises automatic gain control members designated by the reference 48 and adjusted in such a way that the output energy of the receiver is sufficient for the modulation. of transmitter 4], at all distances within the normal range region of the direction finding system and distance indicator.
The antennas 40 and 42 are both omnidirectional, but they are very spaced from each other so that the effective coupling between the receiver and transmitter circuits, taking into account the difference in wavelengths and selectivity of the receiver, is not sufficient for oscillations to occur in the loop formed by the receiver and the transmitter of the mobile station.
As in all mobile stations, the possible separation between the two antennas is usually limited, it may be necessary to provide the receiver 39 with resonance loops having a very high selective attenuation over the wavelength of transmitter 2-
Fig. 3 relates to a variant of] the arrangement of FIG. 1; this variant concerns the apparatus indicated in said figure by the reference number 1 and framed by a dotted line.
This device is replaced, in fig. 3, by an oscillator at 809 cycles, 'second, supplying by itself the local wave at low frequency, its output energy being applied to the emitter 7 through connection 5 and to the phase regulator 30 through connection 29 and, on the other hand, to the time sweep pulse generator 22, through connection 49; in this case, the timing of the pulse generator 22 is controlled from the osillator 48 instead of from the output of the frequency divider 3.
The output energy of oscillator 48 is applied to a frequency multiplier 50 having a multiplication factor of 10 and whose output energy is applied to the synchronization control of the pulse generator 2 having a frequency recurrence 8090 eyeles / seeonde and serving as the source of calibration pulses of the distance scale exactly as in fig. 1.
But, like the pulse generator 5, in the arrangement of fig. 3, has no other function than to provide calibration pulses, the pulse inverter 34 can be suppressed and the output energy of the generator 2 can be applied, through the switch 33, to the electrode 27 of the cathode beam oscillograph 21.
In this eas, the blocking pulses of the pulse generator 37, used to distinguish the calibration indications of the distance indicating spot, are applied a. a device for blocking the pulse generator 2 and not the inverter 34. The arrangement of FIG. 3 has an advantage over that which is described with reference to FIG. 1; it allows a certain simplification, by eliminating the need for inverter 34. However, this advantage is compensated to a certain degree by the decrease in the stability of the phase relations between the source of calibration pulses and the low frequency source which controls the whole system.
The operation of the whole system will now be described when it is used for air navigation, the fixed station then being an airport control station and the mobile station being on an airplane. It is obvious, however, that this system is not capable of being used only for air navigation, but that it can be used for determining the position of ships or other mobile stations of all kinds.
The airport control station comes into contact with the aircraft whose position it is desired to determine, by the normal radio communication channel. The transmitter 7, forming part of the control station equipment, then transmits, on the Al wave, for a short period, a modulation signal whose frequency of 809 cycles lsecond is determined by the radius in which the service position determination is to be ensured.
During the same period, the receiver 48 of the aircraft, which is tuned to the terrestrial transmitter 7, has its low frequency output connected to the transmitter 41 of the aircraft, operating; on a different wave 2, so as to modulate the output energy of said transmitter at the frequency of said modulation signal, that is to say at 809 cycles / second. The phase of this modulation applied to the aircraft's transmitter is determined by the phase of the modulation of the terrestrial transmitter and by the phase delay due to the time taken by the signal to propagate over the distance between the aircraft. aircraft transmitter and, of course, by any phase delay that may occur in the aircraft's switchgear.
The signal thus emitted by the aircraft is received by the direction-finding system of the airport station and is reproduced on the screen of the cathode-ray tube 21 in the form of a radial trace 23, the direction of which indicates the direction of which the signal has been received.
This trace is constituted by a repeated sweeping of the beam of the oscillograph between its rest position and a point whose position is determined by the voltages obtained from the direction-finding equipment, the recurrence frequency of this sweep being 809 cycles / second , that is to say equal to the modulation frequency of the terrestrial transmitter 7. This scanning is of the unidirectional type, that is to say that only the elongation directed towards the outside, e ' that is, from the rest position, is visible, the return elongation taking place at a rate high enough that it is practically invisible.
In addition to its use to provide a direction indication, as described above, the signal from the aircraft's transmitter 41 is demodulated and a pulse whose position in time depends on the phase of the demodulated signal is reproduced on the above indicated trace.
If we give the phase of the scanning voltage of the radial trace the same value as that of the modulation voltage of the terrestrial transmitter, and if we compose by means of the phase regulator 25 any variation phase produced only in the device (this variation being constant for a given frequency) then, in this case, the distance between the indicator pulse and the origin of the trace depends only on the propagation time used for the transmission to from the terrestrial transmitter to the aircraft receiver and from the aircraft transmitter to the terrestrial receiver, this time being a function of the distance from the aircraft. The total phase delay due to the propagation delay is 720 // c, where f is the modulation frequency, d the distance from the aircraft and c the propagation speed.
If one chooses, for example, f equal to 809 cycles / second, this makes it possible to receive distance indications up to a little more than 90 kilometers and this without the shift exceeding 180. The translation of the position of the spot from the origin of the trace in distance reading depends on the function which relates the displacement of the beam along the trace with time. If this law is strictly linear, the distance from the spot to the origin is a direct measurement (eg the distance between the station and the airplane.
If the law is not strictly linear, one can make appear, on the trace, of the calibration pulses (38) drawn from the pulse generator 2 and which are applied to the oscillograph by the pulse inverter 34 and switch 33.
According to a variant, a movable calibration spot can be produced by the pulse generator 32, this spot is moved by means of the variable phase shifter 31 and the pulse which produces it is applied to the tube through the switch 33. The phase corresponding to the position of the spot can then be measured and then multiplied by the appropriate factor to give the distance of the airplane. These two methods of obtaining an electronic calibration have already been described with regard to the equipment of the earth station replaced in FIG. 1 and with regard to the variant of FIG. 3.
As mentioned above, the aircraft transmitter and the ground receiver operate on a different wavelength from that of the ground transmitter. This prevents the earth station from being sensitive to signals reflected on airplanes or other obstacles such as hangars. In addition, although a number of aircraft may be within the service area, the retransmission of a predetermined modulation voltage is only done by the one aircraft to which the airport controller. gave the order to do it.
There can therefore be no risk that the observed position will be assigned to an airplane other than the correct airplane.
The choice of wavelengths used by the ground transmitter and the aircraft is not limited by any system requirement except that the difference between the two wavelengths must be sufficient to avoid interference. between them, either in the ground station or in the aircraft station, that the wavelength used between the aircraft and the ground is suitable for direction-finding operations, at the desired service range and that it does not there is no risk of transmission with multiple trajectories, in one direction or the other. In practice, this last condition is generally satisfied when using the range of waves used in television, these waves being little reflected on the ionospere.
The type of modulation to be used is also without limitation provided that the demodulator systems are of the appropriate type.
In the embodiment of the object of the invention described above, the aircraft transmitter is amplitude modulated, but frequency or pulse modulation could also be used. one or both transmitters, provided that the receiving apparatus and more particularly the direction-finding system are suitable for operation on waves modulated in this way.
Whatever the type of modulation used, the essential characteristics are that the waveform of the modulation of the earth station is transferred to the transmitter of the airplane and that there are provided indication devices. the phase difference between the modulation of the signal transmitted at the earth station and the modulation received at said earth station, after retransmission by the aircraft
Among these components, some must be provided to compensate for the phase delays in the devices themselves, so that the phase difference actually measured only corresponds to the phase difference due to the propagation on the outward and return path between the land station and the airplane whose position is to be indicated.
The different circuits arranged on different planes do not all produce the same phase variations and, therefore, it is generally preferable to compensate for said phase shifts by an adjustable network set once and for all on each aircraft, as in the form of execution described with reference to FIG. 2.
For greater convenience, the ground equipment has been designated by the expression fixed station or by that of land station. These terms should be understood as not indicating that all the equipment is contained in a single building, but only that it constitutes a functional unit.
In practice, the terrestrial transmitter and the antenna associated with it can be located at a considerable distance from the receiving equipment and the cathode-ray oscillograph indicating system on which the position is reproduced can be located at yet another point.
For example, in a practical embodiment of the installation according to the invention, the oscillograph system is located on an airport control tower, at a distance from the receiving station of about 1600 meters; it is actuated from said station by a remote control system which transmits over lines the deflection voltages and other voltages necessary to produce the indication on the screen. The associated transmitter is still located at another point about 800 meters from the receiving station. If the fixed station transmitter and receiver are widely spaced, it is necessary to make a correction when determining the distance, said correction increasing in value as the mobile station approaches the system and varying with the direction of movement. approach.
This correction can be done by transferring the indications of the oscillograph onto a map constructed according to a special projection to take account of the relative positions of the transmitting and receiving parts of the earth station, all in accordance with a known technique.
As the earth station transmits and receives different waves, the transmitter and receiver antenna systems can be of the omnidirectional type, that is to say be capable of transmitting, on the one hand, and of determining the direction of the signals, on the other hand, in all directions, the entire system can therefore be referred to as the omnidirectional type.
Although the embodiment described above is established to operate normally over a service radius of up to 90 kilometers with direct distance reading either by calibration of the scale or by the method of the sliding electronic cursor, said range can be extended so as to cover a radius between 90 and 180 kilometers, by performing a simple inversion of the phase of the modulation signal with respect to the phase of the control voltage of the time base of the radial trace; in this case, the distance indicated as above is firstly read and then the 90 kilometers which correspond to the phase inversion are added.
It is obvious that the phase shifting members intended to compensate for the phase variations inherent in the transmitting and receiving devices in themselves, on the airplane and on land, can either be concentrated at a single point or distributed throughout the system; these organs can either delay the triggering of the radial trace appearing on the oseillograph by a time equal to the delay caused by said devices, to the pulse producing the spot, or directly compensate for the phase variation produced in each device. by a phase shift in the opposite direction, or make a correction by these two methods at the same time.
It is also evident that other direction-finding systems can be used than that which is described with reference to FIG. 1.
It is only necessary for the direction-finding system to provide an indication which can be reproduced as above.
For example, the Adcock antenna pairs can be replaced with two crossed frames, each of these frames feeding its own receiver, so as to produce a voltage which is a sinusoidal or cosine function of the bearing. Furthermore. the local low frequency wave used to determine the distance need not be derived from the energy received by the direction finding equipment. A separate repeater can also be used for this purpose.