FR2602096A1 - Procede et dispositif de compensation de la dispersion en frequence d'une antenne a balayage electronique, et son application a un systeme d'aide a l'atterrissage de type mls - Google Patents

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET UN PROCEDE ET UN DISPOSITIF DE CORRECTION EN FONCTION DE LA FREQUENCE DE L'ERREUR DE POINTAGE DANS UNE ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE, DANS LE CADRE D'UN SYSTEME D'AIDE A L'ATTERRISSAGE DE TYPEMLS. LE PROCEDE CONSISTE A COMPENSER L'ERREUR DE POINTAGE EN MODIFIANT LA VITESSE DE BALAYAGE DU FAISCEAU EN FONCTION DE LA FREQUENCE D'EMISSION ET, DANS UNE VARIANTE DE REALISATION, EGALEMENT EN FONCTION DE L'ANGLE DE POINTAGE.

Description

-I

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMPENSATION DE LA DISPERSION EN FREQUENCE D'UNE ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE, ET SON APPLICATION A UN SYSTEME D'AIDE A L'ATTERRISSAGE DE TYPE MLS

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de compensation de la dispersion fréquence d'une antenne à balayage électronique, plus particulièrement destinés à un système d'aide à

l'atterrissage de type MLS.

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

équipement de mesure de distance).

Ces différentes informations, appelées "fonctions", sont émises en permanence à partir du sol en multiplexage temporel sur 20

une même fréquence, voisine de 5 GHz, selon des caractéristiques normalisées par l'OACI (Organisation de l'Aviation Civile Internationale), annexe 10, paragraphe 3.11. Ces informations sont décodées par chaque avion intéressé.

Chacune des "fonctions" précédentes se décompose en deux parties, émises successivement: - un préambule, dont le rôle est de fournir à l'avion une identification de la fonction qui va suivre; ce préambule est émis par une antenne dite "sectorielle", c'est-à-dire une antenne fixe émettant dans l'ensemble de la zone, ou secteur, que le- système MLS doit couvrir; - la fonction proprement dite: dans le cas o cette fonction est une donnée, elle est émise par l'antenne sectorielle;

dans le cas o cette fonction est une information angulaire, elle est émise à l'aide d'une antenne à balayage électro10 nique selon le principe dit du faisceau battant à référence temporelle, décrit ci-après figures 1 et 2.

Sur la figure 1 est illustré le principe du balayage destiné à

coder, par exemple, l'angle d'azimut.

D'une station azimut, selon ce qui précède, sont émis deux 15 rayonnements différents par deux antennes distinctes que, pour

simplifier, on a représentées en un même point Az.

Partant du point Az on a donc, d'une part, le diagramme d'émission du préambule, noté PZ, émis par l'antenne sectorielle

dans toute la zone de couverture du système MLS.

De ce point Az on a, d'autre part, le diagramme d'un faisceau B, plat et vertical, dit faisceau battant, émis par une antenne à balayage électronique. Le faisceau B effectue à vitesse angulaire constante un balayage aller puis, après un temps d'arrêt (To), un balayage retour et, ce, dans une zone de balayage faisant un angle 25 20M (+ 0M et - GM) sur la figure. On a illustré également, respectivement par une flèche AL et une flèche R, les trajets de balayage aller et balayage retour du faisceau B. On a enfin figuré un avion AV, à titre d'exemple non correctement aligné avec l'axe PP'

de la piste, c'est-à-dire faisant un angle 0A avec ce dernier.

Sur le diagramme de la figure 2a, on a illustré les émissions

successives des antennes de la station azimut, en fonction du temps.

D'un instant zéro jusqu'à un instant tp est donc émis le préambule par l'antenne sectorielle. Ensuite, d'un instant t1 à un instant t2, le faisceau B émis par l'antenne à balayage décrit d'angle M (faisceau aller AL). On a représenté sur le diagramme 2b, toujours en fonction du temps, la valeur de l'angle (6) ainsi balayé,

qui passe de -9M à +0M pendant la durée t1 à t2.

Après une durée To, le faisceau balaie le même angle dans 5 l'autre sens, d'un instant t3 à un instant t4 (diagramme 2a), c'est-àdire de l'angle + 0M à l'angle -0M (diagramme 2b).

On a figuré sur le diagramme 2c les signaux reçus à bord de l'avion A VI toujours en fonction du temps. L'avion reçoit tout d'abord le préambule, entre les instants 0 et tp. Il reçoit ensuite 10 deux impulsions, repérées 1 et 2, à des instants t5 et t6 qui correspondent aux moments o Je faisceau passe sur l'avion A VI dans un sens puis dans l'autre. La durée séparant les instants t5 et t6 (ft) est caractéristique de l'angle 0A d'azimut de l'avion Av 0A. (tt - To) (1) Il a été dit dessus que l'émission des fonctions MLS se faisait sur une fréquence voisine de 5 GHz. Plus précisément, chaque station MLS dispose d'une fréquence choisie dans une bande allant de ,03 à 5,09 GHz. L'antenne à balayage électronique est, comme il est connu, constituée d'un grand nombre de sources rayonnantes et elle est en général calculée par le constructeur à la fréquence centrale de la bande, à savoir 5,06 GHz. Lorsque la fréquence d'émission est différente de cette fréquence centrale, l'angle de pointage réel du 25 faisceau est different de l'angle calculé pour la fréquence centrale, et il s'avère que l'erreur ainsi commise est supérieure aux erreurs

tolérées par les normes OACI. Cette erreur doit donc être corrigée.

Une solution possible de correction consiste à recalculer les déphasages à apporter à chacune des sources rayonnantes pour 30 chaque fréquence d'émission. Cette solution est généralement utilisée dans les radars à balayage électronique, du fait que ceux-ci comportent habituellement des moyens de calcul qui peuvent assurer en outre le recalcul des déphasages. Dans le cas du système MLS, on ne dispose pas de tels moyens de calcul; les valeurs des déphasages sont habituellement stockées dans des mémoires mortes et le changement des valeurs des déphasages implique le remplacement de la mémoire. Ceci est évidemment un inconvénient, notamment sur le plan de la souplesse et du coût. La présente invention a pour objet un procédé permettant de compenser cette erreur en modifiant la vitesse de balayage (v) du faisceau; de la sorte, le temps At mesuré est modifié (voir expres10 sion (1) ci-dessus) et, par suite, la valeur correspondante de l'angle 0

est corrigée.

Selon les différents modes de réalisation de l'invention, la

vitesse de balayage peut être modifiée en tenant compte seulement de la fréquence d'émission ou en tenant compte à la fois de la 15 fréquence d'émission et de l'angle balayé.

D'autres objets, particularités et résultats de l'invention

ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non

limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre le principe du codage de l'angle azimut par un faisceau battant - les figures 2, a à c, déjà décrites, sont des diagrammes explicatifs relatifs à la figure précédente; - les figures 3, a et b, illustrent schématiquement le principe 25 de correction selon l'invention; - la figure 4 est une courbe explicative - la figure 5 est un schéma synoptique d'une station MLS - la figure 6 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 7 est un schéma explicatif - la figure 8 représente un autre mode de réalisation du

dispositif selon l'invention.

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

Il a été indiqué ci-dessus (expression 1) que la mesure d'angle (OA) effectuée par l'avion se ramène à une mesure de temps: l'angle est une fonction linéaire du temps At qui sépare les deux réceptions (impulsions 1 et 2, figure 2c) du faisceau B. Selon l'invention, on 5 compense la dispersion en fréquence de l'antenne par la modification de la vitesse (v) de balayage du faisceau, comme illustré sur les

figures 3.

Sur la figure 3a on a reproduit en pointillé le diagramme 2b précédent, illustrant les valeurs d'angle balayées en fonction du 10 temps. De la même manière, sur la figure 3b, on a reproduit en pointillé les signaux reçus à bord de l'avion (impulsions 1 et 2)

comme illustré sur la figure 2c.

Sur le diagramme 3a, on a représenté en outre en trait continu les effets d'une modification de la vitesse de balayage du faisceau 15 B (vitesse modifiée mais constante sur toute la couverture): le

faisceau aller couvre l'angle 20M d'un instant t1Ic à un instant t2c; de la même manière, le faisceau retour couvre le même angle pendant une même durée, allant d'un instant t3c à un instant t4c.

Sur le diagramme 3b, on a représenté en outre en trait continu une 20 impulsion Ic correspondant au passage du faisceau aller et une impulsion 2c correspondant au passage du faisceau retour, à des instants respectivement t5c et t6c. La durée qui sépare ces deux impulsions lc et lb est notée Atc.C Elle est inférieure à la durée At précédente, pour un même angle 0A. Il apparaît donc qu'une même 25 durée At correspondant alors à un angle différent de 0A (plus faible

dans le cas des figures 3).

Selon un mode de réalisation de l'invention, pour faire varier la vitesse de balayage du faisceau, on fait varier la fréquence d'horloge

du circuit logique commandant le balayage du faisceau.

Tout d'abord, on montre que l'erreur (notée dg) sur l'angle Oque fait le faisceau B avec l'axe PP' de la piste, ou angle de pointage, s'écrit: d = - tg Q df (2) o avec: - dg exprimé en radians; - f: fréquence de l'onde émise - fo: fréquence centrale de la bande de fréquence des

émissions MLS (5,06 GHz), avec: f = fo + df.

Démonstration: On sait en effet qu'à la phase (A0) du nème déphaseur correspond un angle de pointage Q de la manière suivante A = 21r.L. sin (3) avec: ème - L: distance du nme déphaseur au centre de l'antenne

-: longueur d'onde correspondant à la fréquence d'émission (f).

A phases constantes, on peut calculer l'erreur dg commise sur.

l'angle g lorsque la fréquence d'émission varie de fo à f = fo + df en opérant la dérivée logarithmique de l'expression (3): d(sinQ) dX sin X h d'o: dg df tgg + -:0 o

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

Si on exprime maintenant l'angle 0 en fonction de la vitesse angulaire de balayage (v), ou encore en fonction de la fréquence (F) du signal d'horloge du circuit logique, qui lui correspond à une constante de proportionnalité près (K), on obtient: dg = @. dF _ tg g. df (4) o o Démonstration: A la fréquence centrale (fo), on a: Q0 = vo0.t avec: - 0: angle variable dans le temps, correspondant à f = f)

- v0o: vitesse angulaire déterminée pour f = fo.

A la vitesse v0 est liée une valeur F de la fréquence F par la relation: vo = K. Fo (5) A une fréquence d'émission f quelconque, on a: 0=v.t+dOg O Les expressions (2) et (5) ci-dessus permettent d'écrire: Q = K.F.t - tg Q. df À O Si on fait varier la fréquence d'horloge, qui s'écrit alors F, avec F = F + dF, on peut écrire = K.F.t - tg.-df o ou encore, en remplaçant K (expression 5): df 6= vo. F t - tg.df o o A partir de cette dernière expression, on peut exprimer l'erreur do commise sur Q par rapport à la loi idéale Q = vo.t ci-dessus (avec dg = 6 - Q0), en fonction des fréquences F et f: dF df d=v t tg f o o ce qui peut encore s'écrire: dF _ dF df d.(1I+F)=0.F - tgO'do o o

En négligeant dF/F devant 1, on obtient l'expression (4) mentionnée 25 plus haut.

Pour annuler l'erreur dO, il faut donc que la variation dF de la fréquence de l'horloge de balayage obéisse à la relation suivante: dF = t'.& F. df (6) f Il ressort de cette dernière formule que la correction de la fréquence de l'horloge de balayage, pour annuler l'erreur dg, est fonction de la fréquence d'émission f mais également de l'angle 0 de

pointage du faisceau.

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Selon l'invention, cette correction est faite, dans un premier mode de réalisation, simplifié, uniquement en fonction de la fréquence (f) d'émission. Dans un deuxième mode de réalisation, plus élaboré, la correction est faite à la fois en fonction de la fréquence f et en fonction de l'angle Q Dans le premier mode de réalisation, on opére donc une

correction uniquement en fonction de la fréquence d'émission f.

Pour un angle donné = 1, selon la formule (6) ci-dessus, on 10 obtient une valeur dF1 correspondante de dF qui s'écrit: tg 01 df dF1= F0. Q fo (7) On peut alors écrire l'expression de l'erreur 6 de pointage en fonction de l'angle 9, pour la valeur de dF1 ci-dessus 15 6(g>) =fdf (Q>. tg 1 8(o) (o. - tg o) (8) f0 o 1 On a représenté sur la figure 4 la variation de l'angle Q avec le temps: - en trait pointillé, la courbe théorique: variation linéaire; - en trait continu, la variation réelle: l'erreur 6 est nulle pour Q égal à zéro; elle passe ensuite par un maximum, noté 81 MAX; elle s'annule pour la valeur QI puis augmente à nouveau pour les valeurs supérieures de l'angle 0, jusqu'à 62 MAX pour 0M. Dans un 25 mode de réalisation la valeur 01 de l'angle Q est choisie de telle sorte

que les valeurs 61 MAX et 62MAX soient sensiblement les mêmes.

En d'autres termes la valeur 01 est une valeur moyenne qui minimise

l'erreur ô.

Dans un autre mode de réalisation, du fait que les normes 30 OACI admettent une erreur plus grande pour les grands angles 0 que pour les petits angles, on choisit une valeur pour 01, qui minimise l'erreur 6 pour les petits angles, tout en conservant la valeur

- 62MAX inférieure aux limites OACI.

Avant de décrire la mise en oeuvre de ce premier mode de correction, on rappelle figure 5 l'organisation générale d'une station

angle d'un système MLS, azimut ou site par exemple.

Cette station comporte essentiellement un émetteur 10, deux antennes: une antenne sectorielle 30 et une antenne à balayage

électronique 40, et des circuits de commande (20 et 50).

L'émetteur 10 comporte classiquement, en cascade - un générateur de fréquence fournissant une fréquence porteuse d'environ 5 GHz selon la norme OACI - un modulateur de phase, réalisant une modulation de phase DPSK à deux états (0,Tr) permettant d'émettre le préambule et les données sur commande d'un dispositif logique de commande 50, tel qu'un microprocesseur; - un dispositif de commande marche/arrêt, également com15 mandé par le microprocesseur 50

- un émetteur de puissance.

L'émetteur 10 fournit un signal, par l'intermédiaire du commutateur 20, soit à l'antenne sectorielle 30 pour l'émission du préambule et des données, soit à l'antenne à balayage 40. 20 Cette dernière se décompose classiquement en: - un diviseur (ou répartiteur) de puissance 41, divisant en N la puissance reçue du commutateur 20 - N déphaseurs numériques 42, alimentés par le diviseur 41 - N éléments rayonnants 43, alimentés par les déphaseurs 25 précédents; - un circuit logique de balayage 44, fournissant aux déphaseurs 42 les valeurs des déphasages à introduire, afin de réaliser un

balayage électronique à partir d'éléments rayonnants statiques.

La figure 6 représente un mode de réalisation du circuit

logique de balayage (44) réalisant la compensation selon l'invention.

On rappelle que le circuit logique de balayage commande les déphaseurs 42 de manière à réaliser une succession de pointages du

lobe, voisins les uns des autres, simulant ainsi un balayage continu.

Les déphaseurs 42 sont par exemple des déphaseurs numériques 4 bits; dans ce cas, ils permettent chacun de déphaser une onde entre 0 et 360 , au pas de 22,5 . Les positions des N déphaseurs pour les pointages successifs (pas usuels: 0,1- à 0,2 ) sont calculées au préalable et stockées en général dans une mémoire morte de type

PROM (446 sur la figure 6), sous forme de mots de 4 bits. Chacun des N déphaseurs est repéré par une adresse et la logique de balayage 44 a pour fonction de fournir successivement les valeurs des déphasages (bus de données 447) assorties de leurs adresses 10 respectives (bus adresses 448) aux déphaseurs 42.

A cet effet, le bloc 44 comporte en outre:: - un générateur d'horloge 44I, qui a pour fonction de fournir la fréquence F; - un circuit logique de séquencement 442, commandant le 15 déclenchement et le mode de fonctionnement d'un ensemble de compteurs 443, commandé par le dispositif 50 de contrôle de la station; - l'ensemble 443 comportant deux compteurs: un compteur-décompteur 445 pour le pointage du lobe, 20 recevant la fréquence F et qui fournit à chaque instant la valeur du pointage du lobe; cette dernière est utilisée par la mémoire 446 comme adresse (partielle, voir ci-dessous) d'une donnée qu'elle fournit (bus 447) aux déphaseurs 42; un compteur-décompteur 444 pour les adresses des 25 déphaseurs: pour un pointage donné du lobe (information fournie par le compteur 445), il permet l'adressage successif des N déphaseurs; sa fréquence est donc N fois plus grande que celle du compteur 445; à cet effet, il reçoit également la fréquence F. Selon l'invention, le générateur de signal d'horloge 441 fournit 30 un signal d'horloge dont la fréquence F dépend de la fréquence f d'émission. Dans une variante de réalisation, représentée sur la figure 6, on rassemble pour simplifier les différentes valeurs de la fréquence d'émission f possibles en groupes, de manière à minimiser le nombre de fréquences d'horloge possibles; à titre d'exemple, on peut choisir vingt groupes de dix fréquences f chacun. Le générateur d'horloge 441 est classique, sauf en ce qu'il est susceptible de fournir différentes fréquences F sur la commande de la fréquence f ou du sélecteur 440; il peut être constitué par exemple par une horloge à 5 quartz, o le quartz unique est remplacé par un ensemble de quartz commutablessous la commande précédente; il est également possible d'utiliser un synthétiseur logique: la fréquence F peut être

sélectionnée par exemple par des roues codeuses.

Ainsi qu'il l'a été dit ci-dessus, l'expression (6) montre que la

variation de la fréquence F qui annule l'erreur dO est également fonction de l'angle Q. Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention, on fait donc varier dF non seulement en fonction de la fréquence d'émission f mais également en fonction de l'angle 0, 15 comme illustré sur la figure 7.

La figure 7 représente, de façon analogue à celle de la figure 4, la variation de l'angle de pointage Q en fonction du temps. La courbe théorique est, comme précédemment, représentée en trait pointillé et la courbe réelle, en trait continu. Cette dernière se 20 présente sous la forme d'une succession de segments 11, 12. In. En effet, il apparaît sur cette figure 7 qu'on ne choisit plus un angle 01 moyen comme dans le premier mode de réalisation mais des intervalles Il, I2...In. Pour chaque intervalle I ainsi défini, on choisit un angle Q pour lequel on calcule la correction de fréquence dF à 25 appliquer pour toutq'intervalle: dF = F.. 9 i df (9) i hFIi fo qui correspond à l'expression (7) ci-dessus pour l'intervalle Ii et

l'angle hi, avec i variant de 1 à n.

La longueur de l'intervalle I ainsi que l'angle l doivent être 30 choisis de manière à minimiser l'erreur résiduelle de pointage. Le calcul de dF est fait pour un intervalle angulaire donné (d'indice i) et pour un intervalle de fréquence d'émission donnée (noté fi). L'erreur de pointage résiduelle, en fonction de l'angle 0 et de la fréquence f est alors, pour les valeurs i et fi: tg hi dfi df Q.. ro -tg *.y-Pour 0 = Ii on a: fi-f 1 =tg9- f; pour f fi, on a: 62=f ( -- - tg 0), d f tg1 avec 6 = 61 + 62 Pour minimiser 6, on cherche donc à minimiser séparément 61 et 62, expérimentalement ou par le calcul. 10 A titre d'exemple, si on se limite à une erreur dans toute la

bande de fréquence et toute la couverture du système de +0,01 , on peut choisir 61 MAX = -0'005 = 62 MAX De ce fait, on est conduit à choisir des groupes de fréquences f de +0,5 MHz environ et à effectuer la correction supplémentaire en fonction de l'angle Q pour 15 des intervalles angulaires de +3,2 .

La figure 8 représente un mode de réalisation de cette correction en fonction de la fréquence d'émission et de l'angle de

pointage au niveau du circuit logique de balayage 44.

Sur cette figure, on retrouve le séquenceur 442, l'ensemble de

compteurs 443 et la mémoire 446.

On dispose en outre un troisième compteur, repéré 451,

commandé par le séquenceur 442, une horloge 449 à fréquence fixe, dont les impulsions sont comptées par les trois compteurs, et une 25 mémoire de correction 450.

En fonctionnement, la fréquence d'émission f et l'angle Q sélectionnent une adresse de la mémoire 450, du type PROM par exemple, qui contient les valeurs de chargement (N) du compteurdécompteur 451, qui décompte de N à zéro au rythme de l'horloge 30449. Lorsque le compteur 41 passe à zéro, il adresse un signa 449. Lorsque le compteur 451 passe à zéro, il adresse un signal (INHIB) qui inhibe le comptage de compteurs 444 et 445 sur ma période d'horloge. De la sorte, on fait varier la vitesse de balayage,

celle-ci étant d'autant plus faible que le nombre N est petit.

L'information angulaire (Q) est prélevée à la sortie du compteur 445 à destination de la mémoire 450. En outre, comme précédemment, les différentes fréquences f possibles peuvent être rassemblées en groupes, en amont de la

mémoire 450.

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Claims (11)

RE VENDICATIONS

1. Procédé de compensation de la dispersion en fréquence d'une antenne à balayage électronique, caractérisé par le fait qu'il

consiste à modifier la vitesse (v) de balayage.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que

le balayage étant commandé par des moyens logiques comportant un signal d'horloge, la vitesse (v) de balayage est modifiée par modification de la fréquence (F) du signal d'horloge.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite modification est effectuée en fonction

de la fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que 15 les fréquences d'émission (f) sont prédéfinies et regroupées en un nombre limité de groupes, ladite modification étant identique pour

un même groupe.

5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé 20 par le fait que ladite modification est effectuée en outre en

fonction de l'angle de pointage (0) de l'antenne.

6. Dispositif de compensation de la dispersion en fréquence d'une antenne à balayage électronique, caractérisé par le fait qu'il

assure la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications

précédentes et qu'il comporte des moyens logiques (44) commandant

le balayage.

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

fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait 5 que les moyens (441) de génération comportent un jeu de quartz commutables en fonction de la fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait 10 que les moyens de génération (441) comportent un synthétiseur logique commandé en fonction de la fréquence (f) du signal émis par l'antenne.

10. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait 15 que les moyens logiques (44) comportent une horloge (449) à fréquence fixe, des moyens (443) de comptage adressant les déphaseurs de l'antenne, des moyens (451) de comptage de correction et une mémoire de correction (450), cette dernière recevant la fréquence d'émission (f) et l'angle de pointage (Q) et fournissant aux 20 moyens (451) de comptage de correction une valeur (N) correspondante de comptage, les moyens de comptage de correction inhibant,

en fin de comptage, les moyens (443) de comptage des déphaseurs.

11. Application du procédé selon l'une des revendications I à 5 25 à aumoins une antenne à balayage électronique d'un système d'aide

à l'atterrissage de type MLS.