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ALTIMETRE A ONDES ULTRA-COURTES POUR
AEROPLANES
L'invention se rapporte à des prooédés pour mesurer des distances au moyen d'ondes dténergie et elle utilise des ondes électromagnétiques ultra-oourtes pour la mesure d'altitudes jusqu'à envi- -ron 100 mètres. Il est naturellement important de pouvoir déterminer avec exactitude des altitudes de cette grandeur au moment de l'atter-
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-rissage ou au moment du départ d'aéroplanes ou d'appareils analogues.
Dans ce but on a proposé que des ondes ultra-courtes soient émises au moyen d'antennes montées à l'extrémité d'une aile d'un aéroplane et suivant un arc latéral tel que quand l'aéroplane est à une hauteur quelconque d'environ 100 mètres du sol, certaines des ondes atteindront le sol sous le centre de l'aéroplane et sont réfléchies de ce point vers une antenne réceptrice montée à l'extrémité de l'autre aile.
Une transmission directe de l'appareil transmetteur à l'ap -pareil récepteur peut être réduite à une valeur telle qu'elle n'inter -fère pas avec la réception d'ondes réfléchies par le sol. L'une quelconque des méthodes bien connues pour aocomplir l'élimination d'interférences entre les appareils transmetteur et récepteur peut être employée comme par exemple : un écran électrostatique et électromagnétique ; l'emploi d'une antenne avec une oaractéristique de direction très précise; la connexion et la déconnexion alternative des appareils d' envoi et de réception ; la neutralisation de l'énergie, eto.
Une trans -mission sous des angles non compris dans l'arc mentionné ci-dessus, et non exclus par la nécessité de réduire la transmission directe à l'appareil récepteur, doit seulement être limitée par des considérations envisageant la possibilité d'éviter des interférences avec d'au -tres appareils radiophoniques se trouvant dans le voisinage.
L'angle sous lequel des ondes réfléchies atteignent l'antenne réceptrice, peut être déterminé par la méthode bien connue de comparaison des phases de deux composantes reçues par des antennes distantes d'une longueur connue. Si les antennes sont supportées sur lesparties métalliques inférieures de l'aéroplane, ce dernier protègera partiellement les antennes et pourra améliorer leurs caractéristiques de direction, L'angle sous lequel les ondes réfléchies par le sol atteignent l'aéroplane, suffit comme une indication de l'altitude quand le dit aéroplane est pntiquement parallèle à la surface réfléchissante,
puisque la distance entre les antennes réceptrice et transmettrice est connue et que l'angle d'incidence de l'onde vers la terre peut être
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supposé égal à l'angle de réflexion de la terre vers l'aéroplane.
Quand l'attitude de l'aéroplane devient plus grande qu'environ trois fois la grandeur de ses ailes, le changement angulaire avec l'altitude pour les ondes réfléchies reçues devient trop faible pour donner une indication exacte de la hauteur. Ainsi, si la longueur d'aile est d'environ 30 mètres, l'exactitude de la méthode ci-dessus décrite devient insuffisante pour des altitudes dépassant 100 mètres.
Pour déterminer des altitudes plus élevées, l'invention propose d'utiliser les ondes ultra-courtes telles que décrites cidessus, partiellement modulées par des ondes ayant une longueur d'on -de d'environ huit fois la hauteur de vol normal, ou la hauteur à la -quelle la sécurité et la sensibilité maximums sont requises.
Comme cela apparaftra mieux de la description détaillée sui' -vante, les ondes longues n'affectent pas le fonctionnement du système indicateur à basse altitude mentionné précédemment. Elles peuvent être séparées de la composante réfléchie reçue sur l'une des antennes réceptrices pour une comparaison de phases avec l'énergie obtenue directement du modulateur à ondes longues placé sur l'aéroplane. La différenoe de phase obtenue donnera une indication de la hauteur de tappareil. Pour un tel système, une modulation approximative de 30% oonvient et une fréquence de 60 Kilooyoles, par exemple, fournira une onde de longueur convenable où la sécurité maximum à une altitude de 600 métras est désirée.
Une onde longue de la même fréquence peut être utilisée seule de la même manière pour ce but. Cependant l'emploi d'ondes longues semblables est préjudiciable en ce qu'elles provoquent ordinairement beaucoup plus d'interférences avec l'équipement radiophonique aux autres stations. De plus, les longueurs d'ondes convenables pour l'emploi envisagé se trouvent dans une rangée de fréquen -ces qui a été assignée pour d'autres buts.
Même si de telles fréquences sont réservées pour la détermination de l'altitude des aéroplanes, le nombre d'appareils qui peuvent employer des systèmes de ce genre dans un réseau déterminé, sans interférer sérieusement l'un
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avec l'autre, sera beaucoup plus faible que le nombre qui emploierait le système équivalent d'ondes ultra-courtes modulées partiellement proposé dans cette invention et sans interférences mutuelles.
En utilisant des ondes ultra-courtes modulées, l'interférence avec d'autres équipements radiophoniques peut être fortement éliminée, et des rangées de fréquences non utilisées jusqu'à présent,d' une valeur considérabe, peuvent être employées. L'emploi d'ondes ultra-courtes dans les systèmes pour la détermination de l'altitude décrits ici,offre d'autres avantages dont l'un est celui de permettre de placer avantageusement les antennes dans les surfaces réduites possibles sur les aéroplanes pour le but envisagé.
Des longueurs d' ondes comprises dans la rangée d'un quart de mètre à cinq mètres sem -blent les plus désirables pour les buts poursuivis, la longueur d' onde particulière employée dans un système donné étant choisie sur la base de l'adaptation avec la dimension de l'aéroplane, de l'espacement convenable des antennes, des longueurs d'ondes employées par d'autres stations dans la région oû l'aéroplane doit servir, et d'au -tres considérations semblables. Des antennes du type bien connu, dit à doublet, permettent aussi un emploi avantageux du système décrit dans cette invention, et ainsi que cela apparaîtra mieux par la suite, elles peuvent être disposées de manière à supprimer la transmission directe entre les antennes réceptrice et transmettrice placéss sur l'aéroplane.
Un des buts de l'invention est de prévoir un moyen automatique par lequel une indication visuelle continue de la hauteur à laquelle se trouve l'aéroplane, est donnée avec une exactitude acceptable pour une rangée de hauteurs variant de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres. Un autre but de l'invention est de prévoir un système radiophonique pour la détermination de l'altitude qui emploie des signaux de longueurs d'ondes tels qu'ils n'interfèrent pas avec les services radiophoniques existant ordinairement.
Encore un autre but de l'invention est de prévoir un système radiophonique pour la détermination de l'altitude, qui combine des
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avantages obtenus par l'emploi d'ondes plus longues avec les avantages inhérents au système utilisant des ondes ultra-courtes.
L'invention a aussi pour but de prévoir des moyens servant dans des systèmes déterminant l'altitude ou autres systèmes analogues pour permettre une comparaison de phase entre deux ou plusieurs cou -rants de même fréquence, l'exactitude et la sensibilité de cas moyens dépendant principalement de dispositifs électroniques et de la rangée usuelle auxquels ils peuvent être appliqués pour des fréquences radiophoniques.
D'autres buts de l'invention sont mieux compris de la description suivante donnée en se basant sur les dessins ci-joints.
Sur ceux-ci:
La figure 1 montre schématiquement les principes de l'invention sur lesquels la détermination de distance courte est basée;
La figure 2 montre une courbe caractéristique directionnelle convenable pour les antennes transmet-criées de la figure 1;
La figure 3 montre la variation dans la phase relative avec la hauteur, de deux composantes des signaux réfléchis atteignant les antennes réceptrices de la figure 1;
La figure 4 montre comment la sensibilité à de faibles altitudes peut être accrue en changeant les positions relatives des anten -nes réceptrices de la figure 1;
Les figures 5A et 5B montrent deux arrangements d'une forme d'antenne à doublet convenant pour l'emploi de l'invention;
La figure 6 est un schéma du circuit électrique du système altimétrique pour faibles altitudes;
La figure 7 montre l'arrangement des appareils employés dans une méthode pour obtenir une fréquence convenable d'oscillateur à battement pour l'emploi de l'invention;
La figure 8 montre sohématiquement l'arrangement des appareils et des circuits appliqué à une méthode modifiée pour obtenir une fréquence osoillatrice de battement convenable;
La figure 9 montre un type de bobine mobile pour synchroscope,
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lequel peut servir dans l'invention;
La figure 10 se rapporte à un type modifié de synchroscope ou indicateur de phases relatives, basé sur l'emploi de dispositifs électroniques;
La figure 11 est un schéma permettant l'explication du fonc -tionnement du dispositif de la figure 10;
La figure 12 est un système compenant à la fois des indicateurs altimétriques pour basses et hautes altitudes;
La figure 13 montre un système conforme à l'invention, comprenant un indicateur altimétrique pour basses altitudes et deux indicateurs altimétriques pour hautes altitudes;
La figure 14 se rapporte au fonctionnement du système altimétrique confo¯me à l'invention pour un aéroplane s'approchant du sol.
La figure 1 montre schématiquement un aéroplane 40 dont les ailes sont indiquées en 41, Des antennes transmettrices 42 et des antennes réceptrices 43 et 44 sont montées sous les ailes respective -ment à droite et à gauche de la figure. Les chemins des ondes du système altimétrique sont indiqués pour deux hauteurs hl et h2. C1 et G2 représentent respectivement la terre dans chacun des deux cas.
Les antennes réceptrice et transmettrice peuvent être du type doublet montré sur la figure 5A, quoique d'autres types ayant des caractéris -tiques semblables peuvent naturellement être utilisés.
Les doublets transmetteurs de la figure 1 sont espacés d'environ une demi-longueur d'onde, et sont excités par une source d'énergie commune. Par conséquent, ils ont,dans un plan vertical à angle droit avec le fuselage, les caractéristiques transmettrices direc -tionnelles montrées sur la figure 2. L'effet combiné de la paire de doublets est équivalent à celui d'une antenne simple 45 ayant une caractéristique directionnelle équivalente et placée au point milieu entre les antennes 42. La caractéristique transmettrice directionnel -le de la paire 42, disposée telle qu'indiquée figure 1, oomprend des composantes appréciables se projetant en avant du plan sous un angle
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d'environ 30 , qui est évidemment avantageux puisqu'il prévoit l'in -formation d'une élévation'du sol ou d'un obstacle.
Ce point sera disouté d'une manière plus détaillée en oonnexion aveo la figure 14.
On doit noter qu'avec les doublets 42 espacés d'environ une demi-longueur d'onde, l'antenne transmettrice peut distinguer avec une transmission dans leur plan commun o.à.d. aveo une transmission direote vers les antennes réceptrices 43 et 44.
En considérant la figure 1, la phase relative des composan- tes du signal réfléchi reçu par les antennes 43 et 44, est une fonction de l'angle auquel les composantes s'approchent de ces antennes.
Cela est montré figure 3 où les cosinus des angles A1 et A2 oorrespondent aux relations différentes de phases résultant d'angles différents d'approche. Un accroissement dans le taux de changement du oosinus de l'angle,et dès lors dans l'exactitude près du sol, peut être obtenu en plaçant l'antenne réceptrice extérieure 44 au-dessous de l'antenne intérieure 43 par rapport à l'aile, ainsi qu'il est indi -qué sur la figure 4. Cela peut être. équilibré'oontre un sacrifice correspondant d'exactitude aux altitudes plus hautes. Il convient ordinairement d'espacer ces antennes d'environ une demi-longueur d' onde.
Les angles auxquels les ondes réfléchies approchent des antennes 43 et 44 sont naturellement déterminéa par la distance de l' aéroplane aveo la surface réfléchissante, de sorte que la phase rala -tive des composantes des signaux réfléchis est une fonction directe de l'altitude. Un dispositif indicateur de phase relative peut donc être étalonné de manière'à lire directement l'altitude à laquelle on se trouve. L'exactitude de lecture obtenue est naturellement diminuée si les.ailes de l'aéroplane ne sont pas parallèles à la surface du sol.
Cependant', dans le cas d'atterrissage et de départ, les ailes de l'aéroplane sont pratiquement parallèles au champ d'atterrissage. Il est évidemment possible de prévoir un moyen commutateur pour transmettre alternativement des antennes de droite et de gauche de l'appareil et recevoir alternativement des antennes non utilisées pour la transmission
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Une lecture exacte de l'indication de l'altitude montrera sous ces circonstances que les ailes de l'appareil sont parallèles à la sur -face du sol et que l'altitude indiquée est correcte. Si l'appareil n'est pas parallèle avec la surface du sol, la variation entre des lectures successives indique l'angle d'inclinaison de l'appareil par rapport au sol.
La figure 6 montre sohématiquement les faits généraux d'un système mesurant l'altitude conforme à l'invention, et convenant pour des hauteurs approximatives de trois fois la distance séparant les points transmetteur et récepteur. Le système comprend un transmet -teur 60 à ondes ultra-courtes connecté par des lignes de transmission convenables 61 à des antennes transmettrices doublets 42. Des antennes réceptrices doublets 43 et 44 sont connectées chacune par une ligne de transmission convenable 50 à un récepteur 51.
Un "osoillateur à battement" 54 fournit les récepteurs 51 d'oscillations de fréquences convenables, de sorte qu'une rréquence de battement convenable peut être produite dans ces récepteurs, et que la phase des énergies reçues peut être comparée convenablement par le synchrosco- pe 56. L'échelle de ce dispositif peut, ainsi qu'il a été déorit en connexion avec la figure 1, être étalonnée pour montrer directement les hauteurs.
Excepté le type de synohroscope et un certain nombre de méthodes permettant d'obtenir des fréquences d'oscillateur de bat- -tement convenables qui seront décrites par la suite, les appareils entrant dans le système envisagé peuvent être de forme quelconque ordinairement utilisée, avec lesystèmes radiophoniques à ondes ultracourtes. Avec un aéroplane ayant une longueur d'aile de 30 mètres, le système de -La figure 6 prévoit des lectures d'altitude pratiquement exactes jusqu'à environ 100 mètres. Au-delà de cette hauteur, les changements augulaires deviennent faibles.
Bien qu'un oscillateur à battement indépendant 54 peut être utilisé, ainsi qu'il est montré figure 6, la stabilité de l'osoillateur et du transmetteur pourra être d'un ordre plus élevé si une note de battement de 1000 cycles ou moins peut être obtenue. Puisque les
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synohrosoopes commerciaux sont ordinairement désignés pour fonction- ner à des fréquences moindres que 1000 cycles, et que l'exactitude des synchroscopes connus aux fréquences plus élevées est en question, il peut être avantageux d'obtenir une note de battement à basses fré -quences.
Un arrangement pour éviter la nécessité d'une stabilité de fréquence extrême est montré sur la figure 7 où la note de batte -ment voulue, par exemple # f, est produite par un oscillateur 65 et est amenée à moduler de l'énergie de l'onde ultra-courte de fré -quence f obtenue du transmetteur 60 à travers le transformateur 62 dans un modulateur 66. Un filtre 67 choisit une bande latérale,par exemple f - # f de l'énergie fournie par le modulateur, laquelle peut être employée comme fréquence de battement pour les récepteurs 51 de la figure 6. La note de battement obtenue sera naturellement toujours celle produite par l'oscillateur 65, puisque la fréquence de battement sera obtenue exactement de la même manière que la fré- quence de l'onde ultra-courte du transmetteur.
On doit comprendre que le transmetteur 60 est aussi assooié aveo les antennes 42 à tra -vers les lignes de transmission 61 de la même manière que dans la figure 6.
Un arrangement modifié pour prévoir une fréquence de batte -ment convenable pour les récepteurs 51 est montré sur la figure 8 ou le secteur plaque 71 est arrangé pour tourner à une vitesse uni- forme entre les plaques 72 à 75 et la plaque commune mise à la terre
76. Les capacités entre les plaques 72 à 75 et la plaque 76 sont, ainsi qu'il est montré, produites à travers le transformateur 82 par l'énergie du transmetteur 60. En reproduisant la phase de l'énergie fournie de la manière bien connue, à travers l'emploi de résistances
76, 77, 79 et 80, et à travers des bobines 78 et 81, le champ électro -statique entre ces plaques peut être amené effectivement à tourner de sorte que si la plaque 71 est laissée stationnaire, la fréquence obtenue sera celle du transmetteur.
Cependant, si la plaque 71 tourne uniformément dans le champ électrostatique rotatif, l'effet est d'ac- croître ou de diminuer la fréquence obtenue sur la plaque 71 par le
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nombre de cycles correspondant aux révolutions par seconde de la plaque 71. Evidemment, si la plaque tourne dans la même direction que le champ, la fréquence diminuera, et si elle tourne dans la direction opposée, la fréquence s'accroîtra. Dans l'un ou l'autre cas, la fréquence obtenue peut être utilisée comme une fréquence de battement dans les/récepteurs 51 et la fréquence de la note de battement obtenue est déterminée seulement par la vitesse à laquelle la plaque 71 tourne.
Les principes suivant lesquels a ]eu le fonction -nement de ce dispositif sont expliqués en détail dans le brevet américain 2.a04.613 du 11 Juin 1935 déposé au nom de Monsieur L.A. Meaoham.
La figure 9 montre une forme bien connue de synchroscope ou indicateur de phases relatives, lequel peut être utilisé pour montrer la relation de phases entre les énergies fournies par les récepteurs 51 de la figure 6. Cet appareil consiste en des bobines stators 112 et 114 fixées relativement à angle droit'autour des bobines rotors 116 et 117.
Ces dernières sont aussi fixées relativement à des anglee droits sur l'arbre 118, qui peut tourner librement, et est perpendiculaire au plan du dessin qui, à son tour, est le plan contenant les axes des bobines 112, 114, 116 et 117. En appliquant les énergi3s des récepteurs 51 de la figure 6, l'une aux bobines stators et l'autre aux bobines rotors après division de leurs phases, ainsi qu'il est indiqué figure 9, par l'emploi de résistances 111 et de condensa -teurs 110, chaque ensemble de bobines établira des champs électrosta -tiques rotatifs, et ces deux champs seront amenés en phase ou en synchronisme par rotation de l'arbre 118 pour compenser une différence de phase queloonque entre eux,
La valeur de rotation de l'arbre 118 est donc une mesure directe de la relation de phase entre les deux champs.
L'arbre 118 porte un indicateur ou index 113 qui peut se déplacer le long d'une éohel -le 115 à mesure que l'arbre 118 tourne. Dans ce système, ainsi qu'il a été dit précédemment, l'échelle 115 peut être étalonnée directement en unité de hauteur.
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Un dispositif modifié pour fournir une indication des phases relatives des deux énergies reçues, est indiqué sur la figure 10.
Ce dispositif comprend deux limiteurs 85 à tube à vide d'une forme quelconque bien connue et comprenant un tube à quatre éléments 87, des résistances 86 et 88, et un condensateur 90. Une batterie 89 fournit l'énergie aux deux tubes. Ces limiteurs convertissent les deux signaux en des successions d'impulsions de forme rectangulaire, ainsi qu'il est montré sur la figure 11 par les courbes 1 et 2. Ces impulsions sont appliquées aux grilles de contrôle du tube pentode 95 à travers les transformateurs 91. Les circuits de contrôle de ce tube 95 sont tels que le courant plaque augmente seulement quand les deux grilles de contrôle 97 et 98 sont positives, c.à.d. pendant les intervalles sur lesquels les impulsions des courbes 1 et 2 de la figure 11 coexistent.
Le oourant plaque de la pentode 95 consistera alors en une série d'impulsions telle que cela est indiqué par la courbe 3 de la figure 11, et le courant passant à travers le milliampèremètre 96, prévu dans le circuit plaque de la pentode, sera une fonction en ligne droite du déplacement de phase entre les stations No. 1 et No. 2 de la figure 12. L'arrangement de la figure 10 peut donc être employé comme synchrosoope. Le fonctionnement de ce dispositif dépendant principalement de moyens électroniques, ce dispositif fonctionnera aveo facilité aux fréquences radiophoniques, et dans le système de l'invention il permet l'emploi d'une fréquence d'oscil- lateur à battement assez éloignée de celle de l'onde ultra-oourte transmise afin que le problème du contrôle précis de la fréquence devienne beaucoup moins sévère.
La figure 12 montre lè système de la figure 6 disposé autrement et pourvu d'appareils pour donner des indications exactes d'alti -tude aux hauteurs de vol normal. Les appareils modifiés et ajoutés sont les suivants : un oscillateur à ondes longues 100 ; unoscilla- teur à ondes ultra-courtes 141 et un modulateur 140 par lequel les ondes ultra-courtes émises peuvent être modulées par une onde longue convenable d'environ 30%; un démodulateur 103 qui démodule l'onde
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réfléchie reçue sur une des antennes réceptrices 44 pour reproduire l'onde modulante longue ; et un synchroscope 102 qui est alimenté avec une partie de l'énergie de l'onde longue directement de l'osoil -lateur 100 et avec une composante modulante à ondes longues de l'on -de réfléchie obtenue du démodulateur 103.
La différence de phase entre les énergies modulantes réfléchies et locales est naturellement une indication de l'altitude de la hauteur à laquelle se trouve l'a- éroplane. Le synchroscope 102 peut être du type montré sur la figure 10.
Pour un emploi convenable avec un synchroscope du type de la figure 10, la fréquence modulante à ondes longues doit être choisie pour que l'altitude de vol normal soit environ 1/8 de la longueur d'onde. Par exemple, pour une altitude de vol normal d'environ 600 mètres, une fréquence modulante de 60 Kilocycles donnera une onde réfléchie déphasée de 90 avec la source locale, et suivant la figure 11 il est évident qu'un synchroscope du type de la figure 10 fonctionnera vers la moitié de l'échelle pour ces conditions, et indiquera oonvenablement un changement considérable d'altitude sans renoontrer des différences de phase si petites que l'erreur absolue inhérente à un système de ce genre serait d'amplitude significative.
La modulation des ondes ultra-oourtes n'interférera pas avec le fonctionnement des appareils indicateurs de basse altitude puisque les modulations à ondes longues n'affectent pas le dispositif à basses fréquenoes de la figure 9, ou ne seront pas influencées par l'effet résultant de la forme rectangulaire donnée aux sommets des demiondes individuelles par les limiteurs de l'appareil de la figure 10,si ce dernier est employé dans le système indicateur à basses altitudes.
Le dispositif 52 fournit une fréquence de battement convenable aux récepteurs pour les indications à basses altitudes, et peut être du type montré figure 7 ou de celui du type montré figure 8.
Si des indications d'altitude exaotes sont désirées dans le voisinage de plusieurs hauteurs de vol largement séparées, les ondes ultra-courtes peuvent être partiellement modulées par un nombre
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correspondant dtondes plus longues, la longueur de chaque onde modulante étant choisie de sorte qu'elle offre des indications exactes à l'une des hauteurs choisies. Les différentes ondes modulantes peuvent étre séparées par des filtres convenables après avoir été reçues et démodulées, et chacune est fournie à un synchroscope approprié si cette phase peut être oomparée avec celle de l'énergie d'une fréquen -ce semblable dérivée de l'oscillateur local approprié.
La figure 13 montre les modifications apportées au système de la figure 12, nécessaires pour permettre une modulation partielle de l'onde ultracourte par deux fréquences d'ondes longues de sorte que des déterminations de hauteurs exactes peuvent être obtenues pour une grande rangée de hauteurs de vol. Le filtre 105 transmet la fréquence modulante-utilisée en obtenant des indications d'altitude dans la rangée de 100 mètres à 1000 mètres, et le filtre 106 transmet des fréquences modulantes employées pour la rangée s'etendant de 1000 à 2000 mètres.
Un oscillateur à ondes longues 142 fournit la fréquence modulante appropriée poulette dernière rangée. Le synchroscope 107 peut natu- rellement être semblable au synchroscope 102, excepté qu'il sera éta -lonné pour la rangée plus haute d'altitudes. Un seul synohrosoope ayant une série convenable d'échelles peut être utilisé avec des dis -positifs de commutation pour les connecter dans les circuits voulus.
Cômme ci-dessus mentionné, un avantage particulier de l'emploi d'ondes modulées ultra-courtes du genre proposé est qu'elles produisent moins d'interférence avec d'autres appareils radiophoniques.
Bien que le système pour la détermination de l'altitude à des hauteurs de vol normal tel que décrit, dépend d'une simple oompa -raison de phases des composantes modulantes de l'onde ultra-oourte réfléchie avec l'énergie dérivée d'un modulateur local, il est évident qu'une quelconque des méthodes bien connues pour déterminer la hauteur par'l'emploi d'ondes non modulées, comme cela est par exemple décrit dans les brevets américains 2.045.071 et 2.045.072 déposés tous les deux le 23 Juin 1936 par M. L. ESPENSCHIED, peut aussi bien être utilisée en modifiant le système pour employer des ondes ultra-courtes de fréquence constante modulées par d'autres ondes ayant le caractère
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requis pour fournir des indications de hauteur en concordance avec ces autres méthodes.
La figure 14 montre comment des systèmes altimétriques conformes à l'invention fournissent une indication quand l'avion approche d'un terrain s'élevant, tel qu'une colline, puisque les ondes sont radiées à l'avant en des quantités appréciables à tous les angles, excepté l'angle zéro,avec le plan des doublets, et opèrent ef -fectivement pour prévoir des réflexions d'une colline dont l'incli -naison s'approche de 45 .
Ce caractère peut évidemment être acoen- tué dans certains cas où ce fait est considéré important, en inclinant les doublets de l'antenne, ainsi qu'il est montré figure 5B, de sorte qu'ils transmettent rapidement et reçoivent sous un angle plus grand pendant l'avance de l'aéroplane. Dans certains cas il peut même être désirable de prévoir en oonnexion avec les systèmes de cette in -vention, des antennes exploratrices ajustables pour détecter des obstacles se trouvant à l'avant de l'avion, et pour déteoter d'autres avions se trouvant dans le voisinage.
Il est évident que les arrangements montrés sur les dessins et décrits ci-dessus sont purement schématiques et exposent les principes de l'invention. Ces systèmes peuvent être réalisés de dif -frentes manières et peuvent renfermer des dispositifs utilisant des ondes d'énergie autres que des ondes éleotrozaagnétiques sans pour cela se départir de l'esprit même de l'invention.
REVENDICATIONS.
1 - Appareil pour mesurer la distance d'un objet à un autre objet, caractérisé en ce qu'il comprend : des arrangements placés sur un des objets pour diffuser des ondes ultra-courtes; une série d'antennes séparées d'une distance bien déterminée pour recevoir lesondes réfléchies par l'autre objet ; et des arrangements pour comparer les phases des ondes reçues sur les antennes, ainsi qu'un dispositif pour indiquer la différence de phases.
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ULTRA-SHORT WAVE ALTIMETER FOR
AEROPLANES
The invention relates to methods for measuring distances by means of energy waves and it uses ultra-short electromagnetic waves for the measurement of altitudes up to about 100 meters. It is of course important to be able to accurately determine altitudes of this magnitude at the time of landing.
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-rissage or at the time of departure of airplanes or similar devices.
For this purpose it has been proposed that ultra-short waves be emitted by means of antennas mounted at the end of a wing of an airplane and following a lateral arc such as when the airplane is at any height of About 100 meters from the ground, some of the waves will reach the ground below the center of the airplane and are reflected from that point to a receiving antenna mounted at the end of the other wing.
A direct transmission from the transmitting device to the receiving device can be reduced to a value such that it does not interfere with the reception of waves reflected from the ground. Any of the well known methods of accomplishing interference elimination between transmitting and receiving apparatus can be employed such as, for example: an electrostatic and electromagnetic screen; the use of an antenna with a very precise steering characteristic; the alternative connection and disconnection of sending and receiving devices; energy neutralization, eto.
Transmission at angles not included in the arc mentioned above, and not excluded by the need to reduce the direct transmission to the receiving apparatus, should only be limited by considerations considering the possibility of avoiding interference. with other radio sets in the vicinity.
The angle at which reflected waves reach the receiving antenna can be determined by the well known method of comparing the phases of two components received by distant antennas of known length. If the antennas are supported on the lower metal parts of the airplane, the latter will partially protect the antennas and can improve their steering characteristics.The angle at which the waves reflected from the ground reach the airplane, is sufficient as an indication of the 'altitude when said airplane is physically parallel to the reflecting surface,
since the distance between the receiving and transmitting antennas is known and the angle of incidence of the wave towards the earth can be
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assumed equal to the angle of reflection from the earth to the airplane.
When the attitude of the airplane becomes greater than about three times the size of its wings, the angular change with altitude for the received reflected waves becomes too small to give an exact indication of the height. Thus, if the wing length is about 30 meters, the accuracy of the above-described method becomes insufficient for altitudes exceeding 100 meters.
To determine higher altitudes, the invention proposes to use ultra-short waves as described above, partially modulated by waves having a wavelength of about eight times the normal flight height, or the height at which maximum safety and sensitivity are required.
As will be better understood from the following detailed description, long waves do not affect the operation of the aforementioned low altitude indicating system. They can be separated from the reflected component received on one of the receiving antennas for a phase comparison with the energy obtained directly from the long-wave modulator placed on the airplane. The phase difference obtained will give an indication of the height of the apparatus. For such a system, an approximate modulation of 30% is suitable and a frequency of 60 Kilooyoles, for example, will provide a wave of suitable length where maximum safety at an altitude of 600 metras is desired.
A long wave of the same frequency can be used alone in the same way for this purpose. However, the use of similar long waves is detrimental in that they usually cause much more interference with the radio equipment at other stations. In addition, the wavelengths suitable for the intended use are in a frequency row which has been assigned for other purposes.
Even though such frequencies are reserved for determining the altitude of airplanes, the number of aircraft which can employ systems of this kind in a given network, without seriously interfering with one
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with the other, will be much smaller than the number which would employ the equivalent modulated ultra-short wave system partially proposed in this invention and without mutual interference.
By using modulated ultra-short waves, interference with other radio equipment can be greatly eliminated, and hitherto unused frequency rows of considerable value can be employed. The use of ultra-short waves in the systems for determining altitude described here offers other advantages, one of which is that of allowing the antennas to be placed advantageously in the small areas possible on airplanes for the purpose. intended goal.
Wavelengths in the range of a quarter of a meter to five meters appear to be the most desirable for the purposes pursued, the particular wavelength employed in a given system being chosen on the basis of the fit with. the size of the airplane, the proper spacing of the antennas, the wavelengths employed by other stations in the region where the airplane is to be used, and other similar considerations. Antennas of the well-known type, called doublet, also allow an advantageous use of the system described in this invention, and as will appear better hereafter, they can be arranged so as to eliminate the direct transmission between the receiving and transmitting antennas. placed on the airplane.
One of the aims of the invention is to provide an automatic means by which a continuous visual indication of the height at which the airplane is located is given with an acceptable accuracy for a row of heights varying from a few meters to several hundred meters. . Another object of the invention is to provide a radio system for determining altitude which employs signals of wavelengths such that they do not interfere with ordinarily existing radio services.
Yet another object of the invention is to provide a radio system for the determination of the altitude, which combines
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advantages obtained by the use of longer waves with the advantages inherent in the system using ultra-short waves.
The invention also aims to provide means for use in systems determining the altitude or other similar systems to allow a phase comparison between two or more currents of the same frequency, the accuracy and sensitivity of dependent average cases. mainly electronic devices and the usual row to which they can be applied for radio frequencies.
Other objects of the invention are better understood from the following description given on the basis of the accompanying drawings.
On these:
Fig. 1 schematically shows the principles of the invention on which the short distance determination is based;
Figure 2 shows a directional characteristic curve suitable for the transmitted-shouted antennas of Figure 1;
FIG. 3 shows the variation in the phase relative with the height, of two components of the reflected signals reaching the receiving antennas of FIG. 1;
Figure 4 shows how sensitivity at low altitudes can be increased by changing the relative positions of the receptor antennas of Figure 1;
Figures 5A and 5B show two arrangements of one form of dipole antenna suitable for the use of the invention;
FIG. 6 is a diagram of the electrical circuit of the altimeter system for low altitudes;
Fig. 7 shows the arrangement of the apparatus employed in a method for obtaining a suitable beat oscillator frequency for the use of the invention;
Fig. 8 shows schematically the arrangement of apparatus and circuits applied to a modified method for obtaining a suitable osoillating beat frequency;
Figure 9 shows a type of moving coil for synchroscope,
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which can be used in the invention;
Fig. 10 relates to a modified type of synchroscope or relative phase indicator based on the use of electronic devices;
Figure 11 is a diagram for explaining the operation of the device of Figure 10;
Fig. 12 is a system including both high and low altimeter indicators;
FIG. 13 shows a system according to the invention, comprising an altimeter indicator for low altitudes and two altimetric indicators for high altitudes;
FIG. 14 relates to the operation of the altimeter system according to the invention for an airplane approaching the ground.
FIG. 1 schematically shows an airplane 40 whose wings are indicated at 41, transmitting antennas 42 and receiving antennas 43 and 44 are mounted under the wings respectively to the right and to the left of the figure. The altimetric system wave paths are shown for two heights hl and h2. C1 and G2 respectively represent the earth in each of the two cases.
The receiving and transmitting antennas can be of the doublet type shown in Figure 5A, although other types having similar characteristics can of course be used.
The transmitter doublets of Figure 1 are spaced approximately half a wavelength apart, and are excited by a common power source. Therefore, they have, in a vertical plane at right angles to the fuselage, the directional transmitting characteristics shown in Fig. 2. The combined effect of the pair of dipoles is equivalent to that of a single antenna 45 having a. equivalent directional feature and placed at the midpoint between the antennas 42. The directional transmitting feature of pair 42, arranged as shown in Figure 1, includes appreciable components projecting forward from the plane at an angle.
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of about 30, which is obviously advantageous since it provides for the information of a ground elevation or of an obstacle.
This point will be discussed in more detail in connection with figure 14.
It should be noted that with the doublets 42 spaced about half a wavelength apart, the transmitting antenna can distinguish with a transmission in their common plane o. to.d. with a direote transmission to the receiving antennas 43 and 44.
Considering FIG. 1, the relative phase of the components of the reflected signal received by the antennas 43 and 44 is a function of the angle at which the components approach these antennas.
This is shown in figure 3 where the cosines of angles A1 and A2 correspond to the different phase relationships resulting from different approach angles. An increase in the rate of change of the angle oosine, and hence in accuracy near the ground, can be achieved by placing the outdoor receiving antenna 44 below the indoor antenna 43 with respect to the wing, as shown in Figure 4. It can be. balanced against a corresponding sacrifice of accuracy at higher altitudes. Usually, these antennas should be about half a wavelength apart.
The angles at which the reflected waves approach the antennas 43 and 44 are naturally determined by the distance of the airplane from the reflecting surface, so that the rala-active phase of the components of the reflected signals is a direct function of altitude. A relative phase indicator device can therefore be calibrated so as to directly read the altitude at which one is located. The reading accuracy obtained is naturally diminished if the wings of the airplane are not parallel to the surface of the ground.
However, in the case of landing and departure, the wings of the airplane are practically parallel to the landing field. It is obviously possible to provide a switching means for alternately transmitting the right and left antennas of the device and alternately receiving antennas not used for transmission.
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An accurate reading of the altitude reading will show under these circumstances that the wings of the aircraft are parallel to the surface of the ground and that the indicated altitude is correct. If the device is not parallel with the ground surface, the variation between successive readings indicates the angle of inclination of the device relative to the ground.
FIG. 6 shows schematically the general facts of a system measuring altitude according to the invention, and suitable for heights approximately three times the distance separating the transmitter and receiver points. The system comprises an ultra-shortwave transmitter 60 connected by suitable transmission lines 61 to dipole transmitting antennas 42. Receiving dipole antennas 43 and 44 are each connected by a suitable transmission line 50 to a receiver 51.
A "beat oscillator" 54 provides the receivers 51 of oscillations of suitable frequencies, so that a suitable beat frequency can be produced in these receivers, and that the phase of the energies received can be compared suitably by the synchroscope. 56. The scale of this device can, as has been deorit in connection with Figure 1, be calibrated to show heights directly.
With the exception of the type of synohroscope and a number of methods for obtaining suitable beat oscillator frequencies which will be described later, the apparatus entering into the contemplated system may be of any form ordinarily used with the systems. ultra-shortwave radio programs. With an airplane having a wing length of 30 meters, the system of Figure 6 provides virtually accurate altitude readings up to about 100 meters. Beyond this height, the augular changes become weak.
Although an independent beat oscillator 54 can be used, as shown in Figure 6, the stability of the oscillator and transmitter may be of a higher order if a beat note of 1000 cycles or less can be achieved. be obtained. Since the
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Commercial synohrosoopes are ordinarily designed to operate at frequencies less than 1000 cycles, and as the accuracy of known synchroscopes at higher frequencies is in question, it may be advantageous to achieve a beat note at low frequencies.
An arrangement to avoid the need for extreme frequency stability is shown in Figure 7 where the desired beat note, for example # f, is produced by an oscillator 65 and is caused to modulate the energy of l. ultra-short wave of frequency f obtained from the transmitter 60 through the transformer 62 in a modulator 66. A filter 67 chooses a sideband, for example f - # f of the energy supplied by the modulator, which can be used as the beat frequency for the receivers 51 of Figure 6. The beat note obtained will of course always be that produced by oscillator 65, since the beat frequency will be obtained in exactly the same way as the frequency of the oscillator 65. ultra-short wave from the transmitter.
It should be understood that the transmitter 60 is also mated with the antennas 42 through the transmission lines 61 in the same manner as in Figure 6.
A modified arrangement to provide a suitable beat frequency for the receivers 51 is shown in Figure 8 where the plate sector 71 is arranged to rotate at a uniform speed between the plates 72-75 and the common plate being grounded. Earth
76. The capacitances between the plates 72-75 and the plate 76 are, as shown, produced through the transformer 82 by the energy of the transmitter 60. By reproducing the phase of the energy supplied in the correct manner. known, through the use of resistors
76, 77, 79 and 80, and through coils 78 and 81, the electro-static field between these plates can be effectively rotated so that if the plate 71 is left stationary, the frequency obtained will be that of the transmitter.
However, if the plate 71 rotates uniformly in the rotating electrostatic field, the effect is to increase or decrease the frequency obtained on the plate 71 by the
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number of cycles corresponding to the revolutions per second of the plate 71. Obviously, if the plate rotates in the same direction as the field, the frequency will decrease, and if it rotates in the opposite direction, the frequency will increase. In either case, the obtained frequency can be used as a beat frequency in the / receivers 51 and the frequency of the obtained beat note is determined only by the speed at which the plate 71 rotates.
The principles according to which the operation of this device has] been explained in detail in US patent 2.a04.613 of June 11, 1935 filed in the name of Mr. L.A. Meaoham.
Figure 9 shows a well-known form of synchroscope or relative phase indicator, which can be used to show the phase relationship between the energies supplied by the receivers 51 of Figure 6. This apparatus consists of stator coils 112 and 114 attached. relatively at right angles around the rotor coils 116 and 117.
These are also attached relatively at right angles to the shaft 118, which can rotate freely, and is perpendicular to the plane of the drawing which, in turn, is the plane containing the axes of the coils 112, 114, 116 and 117. By applying the energi3s of the receivers 51 of figure 6, one to the stator coils and the other to the rotor coils after division of their phases, as indicated in figure 9, by the use of resistors 111 and of condensa -tors 110, each set of coils will establish rotating electrostatic fields, and these two fields will be brought in phase or in synchronism by rotation of the shaft 118 to compensate for any phase difference between them,
The value of rotation of shaft 118 is therefore a direct measure of the phase relationship between the two fields.
Shaft 118 carries an indicator or index 113 which can move along a helix 115 as shaft 118 rotates. In this system, as has been said previously, the scale 115 can be directly calibrated in units of height.
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A device modified to provide an indication of the relative phases of the two energies received is shown in figure 10.
This device comprises two vacuum tube limiters 85 of any well known shape and comprising a four element tube 87, resistors 86 and 88, and a capacitor 90. A battery 89 supplies power to the two tubes. These limiters convert the two signals into successions of rectangular shaped pulses, as shown in figure 11 by curves 1 and 2. These pulses are applied to the control gates of the pentode tube 95 through the transformers 91 The control circuits of this tube 95 are such that the plate current increases only when the two control gates 97 and 98 are positive, ie. during the intervals over which the pulses of curves 1 and 2 of FIG. 11 coexist.
The current plate of the pentode 95 will then consist of a series of pulses as indicated by curve 3 in figure 11, and the current flowing through the milliammeter 96, provided in the plate circuit of the pentode, will be a straight line function of the phase shift between stations No. 1 and No. 2 of Fig. 12. The arrangement of Fig. 10 can therefore be employed as a synchrosoope. As the operation of this device depends mainly on electronic means, this device will operate with ease at radio frequencies, and in the system of the invention it allows the use of a beat oscillator frequency quite far from that of the ultra-short wave transmitted so that the problem of precise frequency control becomes much less severe.
Figure 12 shows the system of Figure 6 arranged differently and provided with apparatus for giving exact indications of altitude at normal flight heights. Modified and added devices are: a long wave oscillator 100; an ultra-short wave oscillator 141 and a modulator 140 by which the transmitted ultra-short waves can be modulated by a suitable long wave of about 30%; a demodulator 103 which demodulates the wave
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reflected received on one of the receiving antennas 44 to reproduce the long modulating wave; and a synchroscope 102 which is supplied with a portion of the long wave energy directly from the siloil -lator 100 and with a longwave modulating component of the reflected wave obtained from the demodulator 103.
The phase difference between the reflected and local modulating energies is naturally an indication of the altitude of the height at which the airplane is located. Synchroscope 102 may be of the type shown in Figure 10.
For proper use with a synchroscope of the type of Figure 10, the longwave modulating frequency should be chosen so that the normal flight altitude is about 1/8 of the wavelength. For example, for a normal flight altitude of about 600 meters, a modulating frequency of 60 kilocycles will give a reflected wave out of phase by 90 with the local source, and according to figure 11 it is evident that a synchroscope of the type of figure 10 will operate at about half the scale for these conditions, and will suitably indicate a considerable change in altitude without experiencing phase differences so small that the absolute error inherent in such a system would be of significant magnitude.
Modulation of ultra-short waves will not interfere with the operation of low altitude indicating devices since long wave modulations do not affect the low frequency device of Figure 9, or will not be influenced by the resulting effect. of the rectangular shape given to the tops of the individual demiondes by the limiters of the apparatus of figure 10, if the latter is employed in the indicating system at low altitudes.
Device 52 provides a suitable beat frequency to receivers for low altitude indications, and may be of the type shown in Figure 7 or of the type shown in Figure 8.
If exaotic altitude readings are desired in the vicinity of several widely separated flight heights, the ultra-short waves can be partially modulated by a number.
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corresponding longer waves, the length of each modulating wave being chosen so that it provides exact indications at one of the chosen heights. The different modulating waves can be separated by suitable filters after being received and demodulated, and each is supplied to a suitable synchroscope if this phase can be compared with that of the energy of a similar frequency derived from the oscillator. appropriate local.
Figure 13 shows the modifications to the system of Figure 12 necessary to allow partial modulation of the ultrashort wave by two long wave frequencies so that exact height determinations can be obtained for a large row of heights of flight. Filter 105 transmits the modulating-used frequency obtaining altitude readings in the 100 meter to 1000 meter array, and filter 106 transmits modulating frequencies used for the 1000 to 2000 meter array.
A longwave oscillator 142 provides the appropriate modulating frequency for the last row chicken. Synchroscope 107 may of course be similar to synchroscope 102, except that it will be calibrated for the higher row of elevations. A single synohrosoope having a suitable series of scales can be used with switching devices to connect them into the desired circuits.
As mentioned above, a particular advantage of employing ultra-short modulated waves of the kind proposed is that they produce less interference with other radio apparatus.
Although the system for determining altitude at heights of normal flight as described, depends on a simple phase-dependent analysis of the modulating components of the reflected ultra-short wave with energy derived from a local modulator, it is evident that any of the well known methods of determining height by the use of unmodulated waves, as is for example described in US Patents 2,045,071 and 2,045,072 both filed June 23, 1936 by ML ESPENSCHIED, can also be used by modifying the system to employ ultra-short waves of constant frequency modulated by other waves having the character
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required to provide height indications consistent with these other methods.
Figure 14 shows how altimetry systems according to the invention provide an indication when the aircraft is approaching rising terrain, such as a hill, since the waves are radiated ahead in appreciable amounts to all. the angles, except the zero angle, with the plane of the doublets, and effectively operate to predict reflections from a hill with an inclination approaching 45.
This character can of course be accepted in certain cases where this fact is considered important, by tilting the antenna doublets, as shown in figure 5B, so that they transmit rapidly and receive at a greater angle. during the advance of the airplane. In some cases it may even be desirable to provide in oonnection with the systems of this invention, adjustable exploratory antennas to detect obstacles in the front of the aircraft, and to deteoter other aircraft in. the neighborhood.
It is evident that the arrangements shown in the drawings and described above are purely schematic and set forth the principles of the invention. These systems can be made in different ways and can include devices using energy waves other than electrozaagnetic waves without departing from the very spirit of the invention.
CLAIMS.
1 - Apparatus for measuring the distance from an object to another object, characterized in that it comprises: arrangements placed on one of the objects to diffuse ultra-short waves; a series of antennas separated by a well determined distance to receive the waves reflected by the other object; and arrangements for comparing the phases of waves received on the antennas, as well as a device for indicating the phase difference.