FR2466751A1 - Systeme d'aide a l'atterrissage et au vol en formation pour helicopteres - Google Patents

Abstract

Le système décrit permet des mesures d'angles et de distances grâce à des moyens radio-électriques, du type radio-altimètre et interrogateur-répondeur à onde continue modulée en fréquence pour l'aide à l'atterrissage ou au vol en formation d'hélicoptères. A cet effet, chaque hélicoptère comporte un interrogateur ayant deux antennes dirigées vers l'avant et un répondeur disposé dans la queue avec une antenne dirigée vers l'arrière. Un répondeur analogue au précédent est disposé dans une balise sur le terrain d'atterrissage. Selon l'invention, la différence d'altitude h' entre le répondeur et l'interrogateur permettant la détermination de l'angle de site alpha est obtenue à partir de différences de pressions atmosphériques, la pression atmosphérique qui règne à l'endroit du répondeur étant transmise par voie radio-électrique de ce dernier à l'interrogateur. Une telle façon de procéder permet de s'affranchir, pour la mesure de la hauteur relative, des variations du relief sous-jacent. Application : aide à la navigation d'hélicoptères. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

L'invention concerne un système de mesure d'angles et de distances pour l'aide à l'atterrissage d'hélicoptères sur un terrain comportant une balise radioélectrique prévue à cet effet, ce système étant destiné à permettre au pilote, après une phase de "homing" et une boucle de présentation au-dessus du terrain, de suivre un axe du descente prédéterminé et comportant des moyens radioélectriques du type radioaltimètre interrogateur à modulation de fréquence à onde continue à bord de l'hélicoptère, qui permettent de mesurer des distances et des angles, et des moyens radioélectriques dans la balise compatibles avec ceux de l'hélicoptère, D étant la distance entre l'hélicoptère et la balise le long de l'axe de descente.

L'invention concerne aussi un système de messure d'angles et de distances pour l'aide au vol en formation d'hélicoptères, ce système étant destiné à permettre au pilote de se maintenir sensiblement en un point déterminé d'un demi axe virtuel qui a son origine à l'arrière de l'hélicoptère qui le précède et qui est situé avec une légère inclinaison dans un plan vertical passant par ce dernier, ce système comportant des moyens radioélectriques du type radioaltimètre interrogateur à modulation de fréquence à onde continue à bord de l'hélicoptère qui permettent de mesurer des distances et des angles, ces deux systèmes étant compatibles et comportant l'essentiel de leurs moyens radioélectriques en commun.

De façon plus précise, pour ce qui est de l'atterrissage, l'invention est destinée à aider l'atterrissage en campagne, dans des cas où l'atterrissage se fait, comme c'est le cas actuellement de façon entièrement manuelle et à partir d'une distance maximale de 8 km du point d'atterrissage, le terrain étant supposé être plat au moins dans un rayon de 400 m autour du point où est située la balise (point 0).

Un tel système requiert des performances et une précision moins grande qu'un système ILS ("Instrument Landing System" en langue anglaise) utilisé pour les avions, la portée de ce dernier étant d'ailleurs de 30 km. En revanche, tout en étant suffisant pour un hélicoptère dans les conditions spécifiées ci-dessus, un tel système présente l'avantage d'être simple et peu encombrant. D'autre part, il est supposé entrer on jeu à partir du moment où, le terrain ayant été préalablement identifié par des moyens radioélectriques classiques connus, la phase de "Homing" et la boucle de présentation sont terminées à une altitude donnée et où l'hélicoptère commence à descendre. Eventuellement un tel sys tème pourrait fonctionner à bord d'un avion à titre de confirmation du bon fonctionnement de 1'ILS.

Un tel atterrissage d'hélicoptbres étant dans la plupart des cas effectué à vue et dépendant essentiellement de l'habileté du pilote, la situation étant analogue pour ce qui est du vol en formation, l'état de la technique est relativement peu développé dans ce domaine. Il existe cependant un dispositif d'aide à l'atterrissage fonctionnant à l'aide d'un répondeur en impulsion unique c'est-à-dire utilisant des moyens radicelectriques d'un type différent. On connaît aussi, notamment du brevet US n 3 776 453 un système d'aide à l'atterrissage pour avions permettant au pilote de maintenir l'appareil sensi blement sur un cône renversé dont le sommet se situe à l'aplomb d'une balise disposée sur le terrain, en bout de piste.Ce système est com plexe, puisqu'il s'agit d'un c8ne et non pas d'un axe de descente, et comporte d'ailleurs un ordinateur. De plus la précision requise pour un avion est nécessairement plus grande que pour un hélicoptère pour deux raisons principales. En premier lieu il existe, à l'atterrissage, un seuil d'altitude minimum en dessous duquel l'avion ne peut plus remonter sans toucher le sol. De plus, la dernière phase de roulage de l'avion sur la piste nécessairement rectiligne étant de plusieurs centaines de mètres, le positionnement final de l'avion lorsqu'il arrive au niveau de la balise doit être précis, à la fois en gisement et en distance par rapport à la balise.Il faut aussi noter que pour un aérodrome le terrain est choisi de préférence plat dans un rayon de plusieurs kilomètres autour des pistes. Pour un hélicoptère, au contraire, il n'y a pas de seuil d'altitude minimum à l'atterrissage, la phase de roulage et les pistes sont auasi inexistantes, un héliport nécessitant un terrain plat dont le diamètre peut se compter en centaines de mètres seulement.

Un but de l'invention est de rendre l'atterrissage ou le vol en formation d'un hélicoptère plus précis, plus str et moins fatigant pour le pilote en substituant à son appréciation visuelle des distances et des angles des valeurs mesurées et affichées de ces variables.

Un autre but est d'utiliser au moins en partie les moyens radioaltimétriques qui existent déjà normalement à bord de l'hélicoptère pour le régime de croisière, pour la mesure des angles et des distances nécessaires à ces deux phases particulières de vol. Ces moyens radioélectriques sont de préférence à émission continue modulée en fré quence du type décrit dans les brevets français 1 557 670 ou 2 344 031.

Encore un autre but est de permettre l'atterrissage ou le vol en formation dans des conditions de visibilité réduites, à cause du brouillard notamment.

Selon l'invention ces buts sont atteints et il est possible de s'affranchir du relief qui environne le point d'atterrissage grssce au fait que pour l'aide à l'atterrissage le système défini en préambule comporte en outre des moyens pour la mesure de la pression atmosphérique Pz à bord de l'hélicoptère et de la pression atmosphérique PS dans la balise, la pression PS étant traduite sous forme radioélectrique et ainsi transmise à l'hélicoptère dont lesdits moyens radioélectriques traduisent par différence une pression relative PH - P5 elle-meme traduite sous forme d'une différence d'altitude h', au moins pour une certaine plage prédéterminée dudit axe de descente correspondant aux distances D les plus grandes, et que pour l'aide au vol en formation il comporte en outre des moyens pour la mesure de la pression atmosphérique à bord de chaque hélicoptère, cette pression étant traduite sous forme radioélectrique et ainsi transmise à l'hélicoptère suiveur dont lesdits moyens radioélectriques traduisent par différence une pression relative, entre lui-mame et l'hélicoptère qui le précède, elle-même traduite sous forme d'une différence d'altitude h' qui est maintenue sensiblement constante.

I1 faut noter qu'il est connu de remplacer l'indication radioaltimétrique par une mesure barométrique pour certains avions de chasse lorsque ces derniers volent renversés. Juste avant le retournement de l'avion un étalonnage de la capsule barométrique placée à bord de l'avion est réalisé à l'aide du radioaltimètre. Ceci permet d'obtenir une continuité approximative sur l'information de l'altitude de l'avion pendant quelques secondes, le radioaltimètre dont l'antenne est mal orientée ne pouvant plus fonctionner pendant ce temps là. Cet étalonnage de la hauteur barométrique est aussi utilisé de façon connue pour recaler périodiquement une centrale à inertie dans certains avions, étant donné que l'inverse du gradient de pression atmosphérique qui est de l'ordre de 28 pieds/mbar évolue pendant le vol, variant selon l'altitude et les coordonnées géographiques de l'appareil, si l'on considère des distances de vol de plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres.

Par contre, au moyen d'une mesure de pression barométrique traduite sous forme radioélectrique et ainsi transmise à un hélicoptère, l'idée de base de l'invention consiste à utiliser la différence d'altitude déduite de l'indication de pression barométrique relative entre deux points séparés par une distance assez faible, de l'ordre de quelques centaines de mètres à quelques kilomètres. Ceci est particulièrement intéressant puisqu'il est ainsi possible de s'affranchir d'une part de la présence du relief sous jacent qui existe éventuellement entre ces deux points et qui peut créer des différences d'altitude, ces deux choses n'étant pas possibles à partir des indications données par un radioaltimètre pour lequel les irrégularités du terrain sous jacent se traduisent par un signal analogue à un signal de bruit d'apparence aléatoire.Le signal obtenu à partir des mesures de pression ne nécessite donc pas de filtrage ni de correction pour ce qui est des différences d'altitude du sol sous jacent et comme les distances considérées sont courtes, l'erreur due aux variations du gradient de pression entre les deux points considérés est négligeable.

La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple fera bien comprendre comment l'invention est réalisée.

La figure 1 est une vue en perspective illustrant les positions respectives d'un hélicoptère comportant un interrogateur et du répondeur radioélectrique avec lequel il coopère selon l'invention.

La figure 2 est le schéma synoptique d'un mode de réalisation préféré d'un système radioélectrique selon l'invention.

La figure 3 montre quelques signaux qui permettent d'expliciter le fonctionnement du schéma de la figure 2.

La figure 4 est un schéma synoptique illustrant la façon dont les différentes mesures d'angles et de distances sont éxploitées selon l'invention.

Sur la figure 1 on a représenté deux plans horizontaux : le plan U qui est par exemple celui du terrain d'atterrissage et où se trouve une balise répondeuse radioélectrique, en 0, et le plan ' dans lequel se trouve un hélicoptère symbolisé en 1 et comportant à l'avant un interrogateur radioélectrique en O'. Le plan vertical passant par O et O' est référencé V et sa trace dans le plan U et le plan U' porte respectivement l'axe représenté en trait interrompu OT et l'axe représenté en trait interrompu O'T'. Le plan vertical passant par l'axe de la piste d'atterrissage OC est référencé W.Il porte l'axe théorique de descente OR qui fait un angle de valeur prédéterminée % par rapport à l'horizontale, α0 étant l'angle de descente théorique, de l'ordre de 5 degrés Dans le plan V est représenté le relief du terrain par une partie hachurée 20 Ce relief est supposé être plat sur quelques cen- taines de mètres à proximité du point O et peut entre accidenté au-delà sur plusieurs kilomètres La distance entre les plans U et U' est rem pérée par la lettre h', celle entre le point O' et le point du sol situé à l'aplomb de O' par la lettre h, et la distance entre Q et O' par
Do Les angles horizontaux à considérer au niveau du sol sont le cap au sol ssa, soit l'angle orienté entre la direction du nord ON et l'axe de la piste OC représenté en trait mixte, et l'angle de gisement γ, soit l'angle orienté entre les axes OT et OC Les angles horizontaux à con- sidérer au niveau de l'hélicoptère sont le cap de l'hélicoptère ssn, soit l'angle orienté entre la direction du nord O'Ne et l'axe longitu- dinal de l'hélicoptère O'Q, l'angle de gisement ## du répondeur par rapport à l'hélicoptère soit l'angle orienté entre les axes O'Q et O'T', et l'angle de gisement γ, soit l'angle orienté O'T', O'C'.

Le plan U peut aussi entre celai d'un hélicoptère non repré- senté, comportant un répondeur placé dans sa queue en 0 et dont l'axe longitudinal est l'axe OC, l'axe OR étant alors désigné comme l'axe de rapprochement.

Belon l'invention, an plus des moyens radioélectriques si tués en O et en O' se trouvent des moyens pour la mesure de la pression barométrique respectivement en O où règne la pression PS et en O' où règne la pression PRO . Pour l'aide à l'atterrissage ou l'aide au vol en formation, les données suivantes, ou leurs équivalents doivent être déterminées et exploitées - l'angle de site α qui est compare à un angle de site théorique α0, OU
l'équivalant métrique de cette différence angulaire, ZS, soit la pro
jection verticale de la distance entre O' et l'axe OR - l'angle de gisement γ; entre les plans V et U, ou son équivalent métri-
que Xg, soit la distance entre O' et le plan W ; - l'angle de cap de l'axe d'atterrissage, ou de l'axe longitudinal de
l'hélicoptère suivi - la distance D entre O et O'.

De façon connue les informations γ (respectivement Xg) et α - α0 (respectivement ZS) sont visualisées pour le pilote sur un indicateur à deux aiguilles croisées dont le point de croisement, qui correspond au zéro pour chacune de cas aiguilles indique que l'hélicoptère est dans sa bonne position, c'est-à-dire sur l'axe OR.

Selon une technique de l'art antérieur, l'angle α est calculé à partir des distances h et D selon la formule :
αrad # sin α # h/D (1) les distances h et D étant mesurées par voie radioaltimétrique, la différence affichée α - α0 indique alors l'écart vertical de l#hélicop- tère par rapport à l'axe OR, ou bien cet écart est indiqué par la distance
ZS # h - D sin α0 (2)
Selon l'invention, les formules (d) et (2) sont utilisées, mais en substituant à h la hauteur h1 qui permet de s'affranchir des différences de relief sous jacent et d'obtenir des signaux plus faciles à filtrer soit αrad# h/D(3)
z # h' - D sin α (1)
o
A cet effet, la pression PS doit être connue au point O.

Selon l'invention, cette pression est déterminée au point 0 par exemple à partir d'une capsule barométrique et cette information après traduction sous une forme assimilable dans un signal radioaltimétrique est transmise à partir du répondeur placé en O à l'hélicoptère 1, dans le signal de réémission qui sert à la mesure de la distance D, comme décrit ci-dessous en référence à la figure 2, par exemple. Un équipement semblable pour la mesure de pression étant présent dans l'hélicoptère 1, il est alors possible de déterminer la différence de pression entre les plans U et U' et son équivalent métrique h'. De façon semblable, l'indication du cap Ra est transmise de O à O' et affichée séparément au tableau de bord de l'hélicoptère 1 par exemple sous forme d'afficheurs numériques.

Pour ce qui est du guidage à l'horizontale de l'hélicoptère l'angle # est déterminé à partir des angles Fa ssm et ## à partir de la formule # = ssa - ssm - ## (5) l'angle ia étant obtenu comme indiqué plus haut, l'angle Rm étant mesuré de façon connue à bord de l'hélicoptère 1 et l'angle te étant obtenu à partir d'une méthode de triangulation connue comme décrit ci-dessous en référence à la figure 2.L'affichage illustrant l'écart entre les plans V et W peut aussi être réalisé sous forme d'écart métrique selon la formule : Xg YD
Des moyens radioélectriques disposés à l'avant de chaque hélicoptère constituent un système interrogateur muni d'au moins deux antennes dont l'une est émettrice-réceptrice, dirigées vers l'avant.

Ces moyens coopèrent avec des moyens radioélectriques placés à l'arrière d'un autre hélicoptère et constituant un répondeur, un répondeur de ce type étant placé à bord de chaque hélicoptère et possédant une antenne réceptrice-émettrice dirigée vers l'arrière, pour le vol en formation d'hélicoptères, ou bien un tel répondeur étant placé dans une balise, au sol, pour l'atterrissage.

On connait un tel système interrogateur-répondeur utilisant une onde modulée en fréquence, -système formé par un dispositif interrogateur comportant une partie émission pour émettre une onde modulée en fréquence, par un dispositif répondeur qui est muni d'une borne d'entrée pour de l'information à transmettre vers le dispositif interrogateur et qui est prévu pour réémettre durant des tranches de temps l'onde émise par la partie émission, le dispositif interrogateur comportant, en outre, une partie réception munie d'un capteur d'onde réémise par le dispositif répondeur, d'un circuit mélangeur dont une entrée est reliée au capteur d'onde et dont l'autre reçoit une partie de l'onde modulée en fréquence émise par la partie émission et à la sortie duquel apparaît un signal de battement et de moyens sensibles à l'énergie de ladite onde de battement.

Un tel système est décrit dans la demande de brevet nO 2 343 258. Ce système comporte un dispositif interrogateur et un dispositif répondeur montrés notamment respectivement aux figures ll-et 9 de cette demande. Dans ce système connu pour transmettre une information, on module en amplitude au niveau du dispositif répondeur l'onde reçue provenant du dispositif interrogateur et on la renvoie durant des tranches de temps pour'qu'elle soit captée par la partie récepteur du dispositif interrogateur.

I1 est ainsi possible de transmettre l'information de pression P5 ainsi que l'information de cap a au niveau du répondeur, depuis ce dernier vers l'hélicoptère pour la mise en oeuvre de l'invention.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le modulateur d'amplitude inséré dans le circuit hyperfréquence du dispositif répondeur est supprimé et remplacé par un dispositif faisant partie du système décrit en référence aux figures 2 et 3. Dans un tel système, la borne d'entrée du dispositif répondeur est connectée à la commande de moyens de modulation pour moduler la largeur desdites tranches de temps.

On joue ainsi sur la durée de réémission pour obtenir l'équivalent, vu de la partie réception d'une modulation d'amplitude.

Le système montré à la figure 2 se compose d'un dispositif interrogateur 11 et d'un dispositif répondeur 12, ce dernier étant muni d'une borne d'entrée 13 pourrecevoir une information de cap, a ou de pression P5 à transmettre. Cette information une fois transmise est rendue disponible à une borne de sortie 14 du dispositif interrogateur.

Le dispositif interrogateur comporte une partie émission formée à partir d'un oscillateur 15 muni d'une commande de fréquence par tension, d'un générateur de signaux en dents de scie 16 dont la sortie est connectée à la commande- de fréquence de l'oscillateur 15. L'onde fournie par l'oscillateur 15 est émise dans ltespace au moyen d'une antenne émettrice-réceptrice 17 dont l'embouchure est reliée à la sortie de l'oscillateur 15 par l'intermédiaire d'un circulateur 18. La partie réception comporte deux chaînes de traitement de signal.

La première chaîne est constituée par un circuit mélangeur 19 dont la première des deux entrées est reliée à l'embouchure de l'antenne 17 par l'intermédiaire du circulateur 18 et dont la deuxième entrée est reliée à la sortie de l'oscillateur par l'intermédiaire d'un coupleur 20, un amplificateur passe-bande 21 dont la sortie est connectée d'une part à une entrée d'un détecteur de modulation d'amplitude 22 et d'autre part à une entrée d'un dispositif limiteur d'amplitude 23, et un discriminateur de fréquence 24 qui est centré sur une fréquence "fob" dont l'entrée est connectée à la sortie du dispositif limiteur 23 et la sortie à la commande de pente du générateur de dents de scie 16.A la borne de sortie 14 qui est connectée en sortie du détecteur de modulation d'amplitude 22 par l'intermédiaire d'un convertisseur fréquencetension 25, apparaît un signal représentant l'information a ou PS qui provient de la borne d'entrée 13 du dispositif répondeur 12.

La deuxième chaîne de traitement de signal de l'interrogateur comporte en cascade une deuxième antenne réceptrice 27, un deuxième mélangeur 29 qui reçoit sur une deuxième entrée le signal hyperfréquence issu du coupleur 20, un deuxième amplificateur passe-bande 31 centré sur la fréquence "fb" comme l'amplificateur 21 et un mesureur de différence de période 33 formé d'un premier périodemètre 34 pour mesurer la période du signal à la sortie de l'amplificateur 31 et d'un deuxième périodemètre 35 pour mesurer la période du signal à la sortie du circuit limiteur 23 Un circuit de soustraction 37 fournit un signal représentant la différence entre les deux valeurs mesurées par les deux périodemètres.Sa sortie est connectée à une borne 38, sur laquelle on obtient une valeur représentative de l'angle A00
Pour la mesure de la distance D et de la vitesse v de l'hé- licoptère, la sortie du générateur de signaux en dents de scie 16 est connectée à un périodemètre 39 dont la sortie est reliée à une borne 40 ou l'on obtient un signal représentatif de la distance D. L'entrée d'un dispositif 41 effectuant une opération de dérivation dans le temps est connectée à la sortie du périodemètre 39 et sa sortie à une borne 42 ob l'on obtient un signal représentatif de la vitesse relative v r entre les points 0 et 0'.

Le dispositif répondeur 12 comporte une antenne 50 dont l'embouchure est connectée à l'entrée d'un amplificateur 51 par l'intermédiaire dsun interrupteur 52 à commande par tension mis en position fermée. Une ligne à retard 53 qui apporte un retard X interconnecte la sortie de l'amplificateur 51 avec l'entrée d'un amplificateur 54 dont la sortie est reliée à l'embouchure de l'antenne 50 par l'intermédiaire d'un interrupteur 55 mis en position fermée. Un oscillateur 56 fournit des signaux R et E pour commander les interrupteurs 52 et 55 Lorsque ces signaux sont à un niveau haut lesdits interrupteurs correspondants sont fermés sauf inhibition du signal E, et lorsqu'ils sont à un niveau bas, lesdits interrupteurs sont ouverts. La transition du niveau bas au niveau haut du signal E doit être séparée d'un temps égal à T de la transition "bas" vers "haut" du signal R. Ainsi, à la sortie de la ligne à retard, on retrouve l'énergie qui est entrée à un temps T plus tôt. La séquence de commutation des interrupteurs 52 et 55 est telle que ces derniers ne peuvent pas être fermés en même temps (les signaux R et E ne peuvent pas être simultanément au niveau haut) afin qu'un bon découplage entre la réception et la réémission soit réalisé et que la boucle formée par les éléments 51 à 55 avec leurs liaisons ne soit jamais fermée.Selon ce mode de réalisation préféré de l'invention, pour transmettre les informations a et P5 le dispositif répondeur 12 comporte un modulateur de largeur d'impulsion 57-qui fournit un signal EM pour commander la durée de fermeture de l'interrupteur 55, de sorte que l'information soit transmise par la modulation de la durée de réémission du dispositif répondeur 12. Un circuit d'interface 58 interconnecte la borne 13 avec l'entrée de modulation du modulateur 57. De préférence, le circuit d'interface 58 fait correspondre respectivement à chacune des valeurs - V,O, + V, qui sont représentatives de l'information à transmettre sous forme numérique, une fréquence basse de modulation fml' fm2 fm3, respectivement égales par exemple à 1,8 kHz, 2 kHz, 2,2 kHz.Pour cela, ce circuit 58 comporte trois oscillateurs accordés respectivement sur les fréquences fml' fm2 et fm3 un commutateur commandé par la borne d'entrée étant prévu pour sélectionner le signal de sortie de l'un de ces oscillateurs en fonction de la valeur du signal appliqué à la borne 13. En imprimant à la tranche de temps de de réémission du répondeur une variation sinusoidale à basse fréquence, on transmet un mot contenant l1in- formation de cap et de pression du répondeur sous forme d'une modulation par bonds de fréquence (modulation FSK).L'expression donnant la durée de réémission ô en fonction du temps est de la forme
ae= #0 Bo + A sin(2It fmit + #)] (6) avec i = 1,2 ou 3. La modulation à trois états a été adoptée de préférence pour simplifier les problèmes de lecture du mot transmis.

Par-exemple, la valeur logique "1" de chaque bit est transmise par une modulation à la fréquence fm2 pendant un temps 0o suivie d'une modulation à la fréquence haute fm3 pendant un temps 00, et la valeur logique "0" par une modulation à la fréquence fm2 pendant un temps 60 suivie d'une modulation à la fréquence basse fml pendant un temps 00.

Le mot transmis comporte par exemple 25 bits dont - 10 pour l'information de cap a (LSB représentant 0,250) - 10 pour l'information de pression (codée de 550 à 1050 millibars, avec
un LSB représentant 0,5 millibar) - 5 pour la synchronisation.

Pour fixer les idées on indique à titre d'exemple les valeurs suivantes
T = 1 us
#0 @ 0,45 s 0,45/us < de < 0,88 s 60 = 9,1 ms, soit une durée du mot égale à 0,455 s.

L'horloge qui définit la durée du bit est indépendante du générateur d'horloge de découpage, soit l'oscillateur 56 qui a par exemple une fréquence de découpage de 450 kHz. Une durée du mot de 0,455 seconde, correspond à un débit binaire égal à 54,9 Hz (durée du bit égale à 18,2 ms).

Le processus d'interrogation et de réponse complet entre le dispositif interrogateur 11 et le dispositif répondeur 12 est décrit cidessous en référence aux figures 3a à 3e.

Une onde modulée linéairement en fréquence est émise par l'intermédiaire de l'antenne 17. On a représenté à la figure 3a en partie la variation de fréquence de cette onde en fonction du temps. Un point A correspondant à une fréquence FA et à un temps tA sert de repère. Cette onde se retrouve après un temps T v (figure 3b) au niveau de l'antenne 50 du dispositif répondeur 12.

Cette onde est retardée d'un temps T par la ligne à retard 53 et est ensuite réémise durant des tranches de temps TR1, TR2 définies par le signal EN au niveau "h" (figure 3c). On a représenté à la partie supérieure de la figure 3c, par un trait renforcé, les parties réémises.

Puis l'onde est captée après un temps égal aussi à #v par l'antenne 17.

A la figure 3d, on a représenté en superposition, d'une-part, les variations de fréquence de l'onde émise identiques à celles représentées à la figure 3a et, d'autre part, les variations de fréquence de l'onde reçue correspondant à celles émises et décalées d'un temps égal à : 2#v + T.

Ces ondes appliquées aux entrées du mélangeur 19 donnent naissance à une onde de battement dont la fréquence "fb" est donnée par la différence des ordonnés pour un temps donné des droites de variations montrées à la figure 3d. La période de cette fréquence de battement est grande vis à vis de la durée de. La figure 3e montre l'allure du signal Sb à la sortie du mélangeur 19. Les différentes impulsions ont pour enveloppe une sinusoide S telle que : S = S0 sin(#bt). On prend pour origine des temps 0" le point oli cette sinusoïde coupe l'axe des temps.La courbe Sb est égale à S pour
nTc + ti - #e/2#t# nTc + ti + #2/2 et égale à 0 ailleurs, avec
n entier variant de - # à + #
2#
#b = 2# fb =
Tb
L'énergie E transportée par un tel signal s'écrit

On montre alors, avec l'hypothèse de Tb qui est valable en ltoccuren- ce, que ::
E = k #e = K#D(1 + A cos 2#fmi.t)
Le détecteur 22 (figure 2) étant sensible à l'énergie de l'onde appliquée à son entrée, on recueille à sa sortie un signal dont la fréquence est égale à celle de la modulation de largeur d'impulsion de. Le convertisseur fréquence-tension 25 permet de traduire sur la borne 14 les signaux représentatifs de #e et Ps sous forme de niveaux de tension qui sont la réplique des signaux appliqués à la borne 13 du répondeur.

La mesure de la distance D et de la vitesse v r ont lieu de façon connue grâce à la boucle de régulation de la fréquence f constituée par les éléments interconnectés 18, 19, 21, 23, 24, 16 et 15. L'onde émise ayant une fréquence qui varie linéairement avec une excursion de fréquence AF fixe pendant un temps variable T et soit T1 le temps que met l'onde pour aller et venir en transitant par le dispositif répondeur, on démontre que la fréquence du signal de battement f a pour valeur
f T1 AF
b T#1 T (7) avec #1 = 2#v + # (8)
La formule (8) peut s'écrire, c étant la vitesse de la lumière : :
D
#1 = 2 + # , soit en reportant dans la formule (7) :
c
D fb
2 + # = T soit:
c #F
c fb c#
D = T - (9)
AF 2
La formule (9) est donc de la forme
D = K1 T - K2 - ou K1 et K2 sont des constantes ayant des valeurs prédéterminées.

Le périodemètre 39 permet la mesure de T. I1 peut aussi comporter un opérateur analogique qui réalise la fonction linéaire de la formule (9) et délivre à sa sortie un signal de tension représentatif de la distance D, sur la borne 40. La détermination de la vitesse v r de l'hélicoptère, obtenue par un signal de tension sur la borne 42, a lieu par exemple par dérivation par rapport au temps du signal précédent.

Dans le calcul qui précède, on a fait l'approximation que
D = O O' # D1 # D2
O' étant le point situé à la distance a de chacune des antennes 17 et 27,
D1 étant la distance entre les antennes 17 et 50 etD2 la distance entre les antennes 27 et 50. Cette hypothèse est valable étant donné que dans la pratique l'interrogateur et le répondeur sont beaucoup moins rapprochés que sur le dessin, autrement dit que D a.

De même, alors qu'à la figure 2 les droites D1 et D2 font avec l'axe O'Q un angle nettement différent de ae, on supposera, pour la suite de l'exposé, que ces angles sont égaux à AO, ce qui est vrai dans la pratique avec une très bonne approximation. De plus les valeurs de Ai à considérer même en présence de vents latéraux étant faibles, on se trouve dans une zone de petits angles pour laquelle les valeurs du sinus de la tangente et de l'angle en radians peuvent être confondues.

La deuxième chaîne de traitement du signal permet, en association avec la première, la mesure de l'angle de gisement ## du répondeur par rapport à l'interrogateur.

La période Tb du signal à la sortie du mélangeur 19 a pour valeur 1 T 1
Tb = = (10) fb #1 #F
La valeur de la période Tb' du signal à la sortie du mélangeur 29 est
T 1
Tb' = . (11) #'1 #F où #'1 = #1 + #T, ## représentant la différence de temps que met l'onde, à son retour, pour parcourir les distances D1 et D2 respectivement, soit
AT = D2 -D1 2a sin A6 (12)
c c
A la sortie du circuit 37, on a T b - T b T AT
b b AF soit compte tenu de la relation (10)
##
Tb - Tb' =
fb.#1 et en vertu de la relation (12) : 2a 1
Tb - Tb' # . sin ## (13)
c.fb #1 la valeur de la constante c.f@ étant connue et la valeur de T pouvant être déterminée à partir de la valeur de T obtenue en sortie du périodemètre 39 (formule 7).

Pour l'aide au vol en formation ou l'aide à l'atterrissage, la différence d'altitude h' entre les points O et O' est obtenue selon l'invention, à partir des mesures de pression P H et PS à partir de la formule
h' = - K(PH - PS) = - K#P avec
K = - 28 pieds/millibar.

L'erreur sur la mesure de D qui est inférieure à 5 % peut être négligée devant celle obtenue sur la mesure de h', pour le calcul de l'angle de site a, du moins à une distance D de l'ordre de 400 m.

En effet, l'erreur absolue, pour une capsule barométrique ordinaire est de l'ordre de + 0,6 mbar (+ -0,3 mbar pour une capsule plus élaborée).

L'erreur absolue sur h' est donc égale en valeur absolue à 28 x 1,2 = 33,6 pieds, soit 10,24 m ceci représente une erreur de + 1 degré sur a à la distance D = 500 m pour la valeur imposée &alpha;0 = 50 par exemple.

Une erreur absolue de 10,24 m sur h' signifie une variation de l'erreur relative de 1,4 % à 23,5 % pour un rapprochement de l'héli- coptère par rapport au point 0 de 8 km à 500 m,-selon une pente de descente de 5 degrés.

@@ apparaît donc que la mesure de l'angle de site a à partir de la formule
h' |K.#P|
&alpha;rad # sin &alpha; = = (14)
D D est obtenu avec une bonne précision pour des distances de l'ordre de quelques kilomètres du point d'atterrissage, en permettant de s'affranchir de la forme du relief sous jacent, alors qu'au contraire et dans le cas de l'atterrissage seulement, c'est le radioaltimètre qui permet cette précision pour des distances de l'ordre de quelques centaines de mètres, le sol sous jacent étant devenu plat.

D'autre part il faut noter que les erreurs dues aux capsules barométriques sont des erreurs systématiques. Ceci garantit, dans le cas du vol en formation une bonne stabilité en différence d'altitude de l'hélicoptère suiveur.

Pour l'aide à l'atterrissage il est possible, en variante, d'améliorer environ du quart la précision obtenue sur h' indiquée cidessus en utilisant au sol une capsule barométrique précise du fait qu'il s'agit de matériel non embarqué et que cette capsule peut servir à elle seule pour plusieurs hélicoptères.

Une autre variante concernant l'aide à l'atterrissage et compatible avec les précédentes consiste, dans l'hélicoptère 1 à prévoir l'étalonnage de la pression PH à l'aide du radioaltimètre existant normalement à bord de l'hélicoptère lors du passage de ce dernier àl'aplomb du terrain, au moment d'entamer la boucle de présentation. Cet étalonnage est avantageux du fait que les erreurs dues aux capsules barométriques sont des erreurs systématiques, la mesure de la pression étant stable et l'erreur aléatoire de la capsule restant inférieure à 0,1 mbar.

Un mode de réalisation simplifié de l'invention consiste à n'utiliser que les mesures barométriques pour la détermination de l'an- gle de site a, ce qui permet de guider l'hélicoptère jusqu'à une distance de quelques centaines de mètres du point O et éventuellement de le maintenir à cette distance, l'hélicoptère étant vu depuis le point O sous un angle vertical compris entre 4 et 6 degrés. Après quoi, dans le cas de l'atterrissage, la phase finale peut s'effectuer à vue, ce qui implique une visibilité au moins moyenne sur le terrain.

Un deuxième mode de réalisation, plus élaboré, consiste, surtout en ce qui concerne l'atterrissage, à passer graduellement et de façon automatique d'une loi barométrique à une loi altimétrique à proximité immédiate du point 0, la transition s'effectuant progressivement à partir d'une valeur prédéterminée de la distance D, notée Dmin, par exemple selon la formule
1 dh' + (a - d)h
&alpha; = ( )(15)
D a d étant une fonction linéaire de D, par exemple : d = D/10, a un paramètre, par exemple : a = 100, et les distances étant comptées en mètres.Dans l'exemple numérique choisi, il vient : Dmin = 1000 m (la valeur de Dmin est celle qui rend le rapport d/a égal à 1). La loi complète pour la détermination de l'angle a est telle que
h'
a = D pour D > Dmin l'angle &alpha; étant déterminé à partir de la formule (15) pour D#Dmin, de façon que &alpha; tende vers h/D pour h et D tendant vers zéro.

Cette loi simple doit permettre dans les dernières centaines de mètres d'utiliser la hauteur radioaltimétrique plutôt que la hauteur barométrique. Elle doit permettre plus précisément un passage assez progressif de h' à h au fur et à mesure que D diminue, de façon que le pilote ait le temps de réagir en corrigeant à mesure grâce aux commandes de l'hélicoptère. N'importe quelle autre loi répondant aux critères in dilués ci-dessus peut évidemment être choisie.

Dans ce deuxième mode de réalisation, la présence d'un radioaltimètre est donc nécessaire à bord de l'hélicoptère 1. Ce radioal- timètre qui est en tout état de cause toujours nécessaire à bord d'un hélicoptère peut hêtre séparé du système de mesure selon l'invention et par exemple du type décrit dans les brevets français 1 557 670 ou 2 344 031. I1 peut aussi être intégré, de façon non représentée, au dispositif radioélectrique décrit en référence à la figure 2, une antenne émettrice et une antenne réceptrice supplémentaires étant dirigées vers le bas et des commutateurs pour radiofréquences à deux positions permettant la commutation soit sur les antennes horizontales 17 et 27 déjà décrites soit sur lesdites antennes dirigées vers le bas. Les mesures de l'altitude h ou des autres paramètres déjà décrits s'effectuent alors en partage de temps, un générateur d'horloge synchronisé sur l'oscillateur 56 commandant la commutation sur l'un ou l'autre jeu d'antennes, ce qui permet d'utiliser en commun les éléments 15, 16, 21, 23, 24 de la boucle de régulation de la fréquence de battement
Selon un autre mode de réalisation, dans le but d'améliorer le gain du répondeur 12 et d'accroître ainsi sa portée, ce dernier peut être du type dit à recirculation comme décrit dans la demande de brevet nO 79 12 479 déposée le 16 mai 1979 et dans la demande de brevet nO 79 18 821 déposée le 20 juillet 1979.Dans ce cas les organes d'amplification sont disposés entre les bornes milieu de deux commutateurs à deux positions actionnés de façon telle que le signal les traverse une première fois, traverse ensuite la ligne à retard et les traverse ensuite une deuxième fois avant sa réémission, lesdits commutateurs à deux positions étant actionnés simultanément à partir du signal R. Un troisième commutateur à deux positions dont la borne milieu est connectée à l'antenne 50 est relié par chacune de ses positions de commutation à l'une des positions de commutation des deux premiers commutateurs, la ligne à retard 53 occupant une position symétrique du troisième commutateur par rapport aux deux premiers commutateurs. Le troisième commutateur est alors actionné par le signal EM.

Le schéma synoptique de la figure 4 permet d'expliquer la façon dont les différentes mesures d'angles et de distances décrites cidessus sont exploitées, pour l'atterrissage et pour le vol en formation et selon.que la visualisation des deux principales indications de site et de gisement sur un indicateur à aiguilles croisées est réalisée en valeurs angulaires ou en écarts métriques. Sur la figure 4 les mêmes références désignent les mêmes éléments avec les mêmes fonctions qu'à la figure 2. Le matériel radioélectrique situé au point O' (interrogateur ll notamment) et le répondeur 12 situé au point O sont séparés par une ligne en trait interrompu 60. Le matériel situé à droite de cette ligne est disposé à l'avant de l'hélicoptère.Chaque hélicoptère comporte aussi dans sa queue le matériel situé à gauche de la ligne 11, plusieurs hélicoptères pouvant ainsi coopérer deux à deux pour le vol en formation, ce dernier matériel étant aussi présent sur le terrain et coopérant avec le matériel interrogateur de chaque hélicoptère pour l'aider à atterrir. Pour l'aide au vol en formation, il est possible selon un autre mode de réalisation de l'invention compatible avec les précédents, de créer à l'émission un décalage de fréquence qui est compensé par un décalage de fréquence égal et de sens opposé dans le répondeur de l'hélicoptère suivi. On évite ainsi des interférences et des brouillages involontaires entre émissions et réponses lorsque la formation comporte plus de deux hélicoptères, chaque interrogateur étant ainsi adapté, de façon discriminante, à un seul répondeur.Ce décalage de fréquence peut être réalisé de façon connue dans l'interrogateur (respectivement dans le répondeur) par exemple à l'aide d'un modulateur à bande latérale unique, disposé dans la chaîne hyperfréquence, dont le signal de sortie a une fréquence somme de celle du signal principal et de celle d'un signal synthétisé dont la valeur est de l'ordre de quelques MHz.

Par exemple, pour cinq hélicoptères volant en formation, on peut prévoir d'opérer, dans chaque interrogateur (ou dans chaque répondeur mais dans un sens opposé) l'un des décalages de fréquences suivants : 2 MHz, 3,5 MHz, 5 MHz, 6,5 MHz.

Sur la figure 4, les organes 61 et 62 symbolisent respectivement le capteur de pression au point O,PS, et la détermination du cap réel ssa, ces deux informations étant transmises en partage de temps sous forme numérique à la borne d'entrée 13 du répondeur 12 (figure 2). La sortie 14 de 1' interrogateur 11 est transmise respectivement au démodulateur de la pression P5, 63, et au démodulateur du cap ssa, 64, les valeurs de Ps et de a étant ensuite transmises après identification et séparation à un organe de calcul élaborant les lois de guidage 65. La sortie 38 indiquant une valeur proportionnelle à A0/T est transmise à 1 'organe de calcul 65 après transformation du signal en un signal assimilable par l'organe 65, par l'intermédiaire de l'organe 66.De même, l'indication de la distance D qui apparaît à la sortie 40 sous la forme d'une mesure de temps, est transmise directement à l'organe 65 pour le calcul de A6 et aussi transformée en une mesure de distance par exemple par l'organe 67 selon la relation linéaire connue qui existe entre D et T (formule (9) ), puis transmise à organe de calcul 65. Le cas échéant, l'organe 65 reçoit aussi l'indication de l'altitude h qui apparaît à une sortie 68 de l'in- terrogateur ll, après une transformation linéaire par l'organe 69. Les valeurs de pression P H et de cap ssm mesurées à bord par un capteur de pression sont transmises à l'organe 65 respectivement par les conducteurs 71 et 72.

L'organe 65 a deux sorties 73 et 74. Sur la sortie 73 est obtenu le signal d'écart de site ("glide" en langue anglaise) qui peut se présenter sous la forme angulaire a - a0, étant obtenu à partir de la formule :
h'
&alpha; - &alpha;0(rad.) # - sin&alpha;0
D ou sous forme d'écart métrique :
ZS # h' - D sin &alpha;0 les calculs étant faits de façon connue dans l'organe 65 à partir des données d'entrée PH, PS, D, éventuellement h, pour l'application de la formule (15), et de la valeur interne affichée de a0, de l'ordre de 3 à 5 degrés.Le signal sur le conducteur 73 est transmis à l'aiguille 75 d'un indicateur à aiguilles croisées 76 qui peut afficher en valeur po sitive ou négative l'amplitude de ce signal sous forme linéaire ou logarithmique. Sur la sortie 74 est obtenu le signal d'écart de gisement ("localizer" en langue anglaise) qui peut se présenter sous la forme angulaire y et qui est obtenu à partir de la formule (5)
Y a - m - te les calculs étant faits de façon connue dans l'organe 65 à partir des données d'entrée a' ssmA0/T et T. Le signal d'écart de gisement peut aussi être traduit sous forme d'écart métrique Xg = les calculs étant faits dans l'organe 65 à partir des données ssaS ssm,A0,
D.Le signal sur le conducteur 74 est transmis à l'aiguille 77 de l'indicateur 76 qui peut afficher l'amplitude de ce signal sous forme linéaire ou logarithmique. qu'il s'agisse de vol en formation ou d'atterrissage, les manoeuvres du pilote doivent avoir pour résultat de ramener les indications affichées en 75 et 77 au point de croisement de ces deux lignes graduées qui correspond pour chacune à la valeur zéro, c'est-à-dire de minimiser simultanément les erreurs en site et en gisement. Pour l'aider au cours de ces manoeuvres et pour d'autres besoins de navigation aérienne, le pilote peut disposer en outre d'un affichage direct des valeurs de D, a , h sur des indicateurs 80, 81, 82, reliés respecti- vement aux sorties des organes 67, 64, 69.De plus l'indication de la vitesse relative v r entre les points O et O' peut être affichée sur unindicateur relié à la sortie 42 de l'interrogateur par l'intermédiaire d'un organe 84 qui établit une relation linéaire prédéterminée entre son entrée et sa sortie. Lors d'un vol en formation, le pilote doit, en plus des contraintes à respecter sur le site et le gisement, faire en sorte que la distance D et/ou la hauteur-h, en 80 et 82 soient constantes, la vitesse vr, en 83 étant alors nulle.

Le maintien du vol en formation est plus délicat que la poursuite d'un axe d'atterrissage, du fait que le point O est mobile et qu'en outre le cap a peut varier. Selon un autre mode de réalisation, pour l'aide au vol en formation, l'interrogateur peut comporter, dans sa boucle d'asservissement, des réseaux à avance de phase qui permettent de faire des anticipations sur les variations en position du répondeur et de suivre ainsi plus facilement ces variations.

Les performances de l'ensemble du dispositif sont par exemple les suivantes
Partie droite de la figure 4 (interrogation ) - Puissance émise : - 7 dB w - Gain des antennes : + 7 dB - Précision sur la distance D : < 5% - Précision sur l'angle A : : # 10 - Précision globale angulaire Y (localizer) : - 30 - Précision globale angulaire a (glide) # 1 - Portée : 8 km
Partie gauche de la figure 4 (réponse) : - Gain du répondeur : 80 dB - Gain de l'antenne du répondeur : 15 dB.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Système de mesure d'angles et de distances pour l'aide à l'atterrissage d'hélicoptères sur un terrain comportant une balise radioélectrique prévue à cet effet, ce système étant destiné à permettre au pilote, après une phase de 1,homingfl et une boucle de présentation audessus du terrain, de suivre un axe de descente prédéterminé et comportant des moyens radioélectriques du type radioaltimètre interrogateur à modulation de fréquence à onde continue à bord de l'hélicoptère, qui permettent de mesurer des distances et des angles, et des moyens radioélectriques dans la balise compatibles avec ceux de 11 hélicoptère, D étant la distance entre l'hélicoptère et la balise le long de l'axe de descente, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour la mesure de la pression atmosphérique PH à bord de l'hélicoptère et de la pression atmosphérique Ps dans la balise, la pression P5 étant traduite sous forme radioélectrique et ainsi transmise à l'hélicoptère dont lesdits moyens radioélectriques traduisent par différence une pression relative PH - Ps elle-m & e traduite sous forme d'une différence d'altitude h', au moins pour une certaine plage prédéterminée dudit axe de descente correspondant aux distances D les plus grandes.

2. - Système de mesure d'angles et de distances selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite différence d'altitude h' est utilisée pour la détermination de l'angle de site a.

3. Système de mesure d'angles et de distances selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite plage prédéterminée dudit axe de descente couvre une distance de quelques kilomètres.

4. Système de mesure d'angles et de distances selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, pour les dernières centaines de mètres dudit axe de descente, la hauteur h" par rapport au sol est calculée par ledit système à bord de l'hélicoptère simultanément à partir de ladite différence d'altitude h' déterminée à partir de ladite pression relative P H - PS et à partir d'une hauteur h mesurée par voie radioaltimétrique, selon une fonction prédéterminée des distances h, h' et D, telle que le terme en h devienne prépondérant par rapport au terme en h' lorsque la distance D décroît.

5. Système de mesure d'angles et de distances pour l'aide au vol en formation d'hélicoptères, ce système étant destiné à permettre au pilote de se maintenir sensiblement en un point déterminé d'un demi axe virtuel qui a son origine à l'arrière de l'hélicoptère qui le précède et qui est situé avec une légère inclinaison dans un plan vertical passant par l'axe de ce dernier, ce système comportant des moyens radioélectriques du type radioaltimètre interrogateur à onde continue modulée en fréquence à bord de chaque hélicoptère qui permettent de mesurer des distances et des angles, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour la mesure de la pression atmosphérique à bord de chaque hélicoptère, cette pression étant traduite sous forme radioélectrique et ainsi transmise à l'hélicoptère suiveur dont lesdits moyens radioélectriques traduisent par différence une pression relative, entre lui-même et l'hélicoptère qui le précède, elle-même traduite sous forme d'une différence d'altitude h' qui est maintenue sensiblement constante.

6. Système de mesure d'angles et de distances pour l'aide à l'atterrissage et au vol en formation d'hélicoptères selon l'une quelcon que des combinaisons de revendications prises -ensemble 1 et 5, ou 2 et 5, ou 3 et 5, ou 4 et 5.