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Une mesure de la position actuelle en se basant sur le relevé de balises radio n'est pas pratique. La mesure est peu précise et lente, elle ne peut pas être utilisée pour des avions qui se déplacent rapidement.
Système de positionnement hyperboliqueSi la mesure de la direction de la balise n'est pas pratique, pourquoi ne pas mesurer la distance jusqu'à la balise? C'est le principe de la navigation hyperbolique. Quand on dispose de deux émetteurs synchronisés la position du navire ou de l'avion se trouve sur une hyperbole.Si la différence de temps de vol (time of flight) entre le signal de la balise "A" et "B" est de +15µs, l'avion ou le navire ne peut se trouver que sur l'hyperbole indiquée. En utilisant une seconde paire de balises om peut déterminer la position par trilatération: la position se trouve au croisement des deux hyperboles. On peut tout aussi bien utiliser un second groupe indépendant du premier (avec deux émetteurs A' et B' ou un seul groupe avec 4 émetteurs: un maitre et trois esclaves. Il ne faut que deux esclaves si la navigation n'est nécessaire que d'un coté, c'est le cas d'émetteurs destinés à la navigation maritime situés le long des côtes.
Toutes les balises envoient simultanément une impulsion. Les récepteurs peuvent séparer le signal reçu et peuvent ainsi déterminer la différence de distance entre deux balises. Nous avons ici un maitre L et trois esclaves A, B et C. Le navire utilise les signaux L, A et B. Le signal de C est également reçu, mais n'est pas utilisé en pratique. En mesurant la différence de temps de vol entre L et A (L avant A) le navire peut déterminer sa position sur l'hyperbole rouge. En mesurant la différence de temps entre L et B (B avant L) on sélectionne une hyperbole verte. Le navire se trouve au croisement des deux hyperboles. Les hyperboles ne sont pas des lignes fines, mais d'une zone où le navire pourrait se trouver à cause des erreurs du système. Ces zones deviennent plus large quand le navire s'éloigne des émetteurs. C'est une des caractéristiques des systèmes de navigation par mesure du temps de vol. Le schéma montre le principe du système Decca qui sera utilisé dans toute l'Europe après la guerre.
Système original anglais: GeeLe système a été développé au début de la seconde guerre mondiale, d'abord comme aide à l'atterrissage des bombardiers de nuit, puis plus tard pour diriger les bombardiers vers leur cible, puisque la portée des émetteurs était suffisante pour atteindre le bassin de la Ruhr. La précision n'était pas bonne à longue distance, mais c'était suffisant pour bombarder de grandes villes.
Toutes les balises radio fonctionnenet sur une même fréquence (par exemple 48.75MHz) et émettent des impulsions courtes. Le maitre est également mis à l'arrêt pendat quelques impulsions, pour que le récepteur puisse faire la différence et déterminer les impulsions du maitre. Le temps entre deux impulsions est indiqué sur un oscilloscope et permet de sélectionner la première hyperbole. La mesure est refaite avec le second groupe qui nous donne une seconde hyperbole. Le système est manuel et ne permet pas de déterminer instantanément la position, mais cela suffisait en pratique.
Système américain: loranLes américains ont repris le système sous le nom de Loran (long range navigation). Ce système travaille sur une fréquence plus basse (1.85 et 1.95MHz) pour avoir une portée plus élevée (ces ondes suivent la courbure de la terre). Le but était de pouvoir couvrir tout l'océan atlantique avec des balises aux Etats Unis et en Europe. La portée était de 2400km avec une précision de 30km dans le meilleur des cas. En effet, la fréquence plus basse fait que les impulsions sont moins bien définies.Lors du développement du système on a tenu compte du fait que le navire puisse utiliser soit un récepteur Gee, soit un récepteur Loran: les deux apapreils doivent avoir les mêmes connecteurs et la même taille pour permettre un échange rapide. Les balises peuvent également être utilisées sans indication de temps de vol, en mesurant l'angle entre les différentes balises, mais cette indication est peu précise. Les émeztteurs doivent avoir une fréquence légèrement différente, ce qui était le cas pour Chain Home, mais pas pour les systèmes de positionnement hyperbolique. La fréquence de toutes les balises d'un groupe Gee ou Loran est la même pour tout le groupe. Quand un récepteur reçoit le signal de deux esclaves sans retard, c'est que le navire se trouve entre les deux balises. L'hyperbole est alors une droite.
Système de navigation DeccaLa solution a été trouvée par les ingénieurs de Decca: au lieu d'envoyer des impulsions et de mesurer le temps de vol des différents signaux, pourquoi ne pas comparer la phase? Les émetteurs doivent être synchronisés en phase, ce qui était difficilement réalisable à l'époque, mais la complication se situe aux niveaux des émetteurs, tandis que les récepteurs peuvent être relativement simples. Les récepteurs avaient un simple indicateur électro-mécanique qui indique le rapport de phase entre deux signaux, et donc l'hyperbole sur laquelle le navire se trouve. C'était un système plus simple que l'utilisation d'un oscilloscopê pour déterminer le délai. Le système de positionnement Decca a été utilisé dans le civil après la guerre.Si les émetteurs travaillent à la même fréquence, il est impossible de séparer les signaux dans le récepteur. Le signal combiné est un signal dont l'amplitude varie, mais qui ne donne aucune information sur le temps de vol. Les 4 émetteurs travaillent sur une fréquence harmonique de la fréquence de base. Dans le récepteur ces signaux sont multiplié par un facteur constant, pour arriver à quatre fréquences identiques dont on peut déterminer la phase.
Mais un déphasage de 30° peut tout aussi bien indiquer un déphgasage de 390°, ou de 750°, etc. Le navire peut être à plusieurs endroits à la fois. La mesure de la position est précise mais pas concluante. Les différentes positions possibles se trouvent à une longueur d'onde l'une de l'autre. Il faut une mesure de la position estimée pour arriver à la position correcte. Le système Decca très précis a été utilisé lors du débarquement en Normandie à la place du système Gee moins précis. Decca était le nom d'une firme de disques, mais elle produisait également des appareils électroniques.
Le système avait une portée de 700km avec une précision de quelques mètres près des côtes et de 1.5km à la limite de la portée. Ces valeurs étaient suffisantes pour la navigation, où une précision accrue est nécessaire près des ports. Le loran adoptera également les améliorations du système Decca: ce sera le loran-C (tandis que le loran standard deviendra loran-A). On est passé rapidement du loran classique au loran C pour les navires militaires qui avaient besoin d'une précision accrue. Beaucoup de récepteurs loran-a se sont retrouvés sur le marché (surplus militaire). Les navires commerciaux ont ainsi pu s'équiper d'un récepteur loran à bon compte et le loran a restera en fonctionnement pendant de nombreuses années. Des récepteurs loran-c bon marché apparaissent sur le marché dans les années 1970 et la plupart des navires peuvent être équipés d'un tel récepteur. Mais la plupart des balises sont mises à l'arrêt après la démocratisation des récepteurs GPS. Le système GPS est d'ailleurs également basé sur les hyperboles et la multilatération. |
Des améliorations ont été apportées au système Gee et Loran pendant la guerre, c'est principament une amélioration du timing. Mais un des gros problèmes, c'est qu'il n'est pas possible d'obtenir des impulsions bien définies. Le récepteur est équipé de circuits oscillants pour sélectionner une fréquence précise et il faut une série d'oscillations pour lancer l'oscillation dans le circuit accordé. C'est moins important pour le radar (qui est également basé sur le temps de vol) parce qu'on travaille à des fréquences plus élevées.
A gauche l'indicateur Decca de base: chaque indicateur donne le nuyméro de l'hyperbole de la balise rouge, verte et violette sur la carte. Il suffit de voir sur la carte où ces hyperboloes se croisent. Pour éviter les erreurs, les hyperboles sont numérotées de 0 à 23, 30 à 47 et de 50 à 79. L'indication centrale est une sous-division, qui va de 0 à 0.9. L'appareil indique rouge 6.15, vert 33.9 et violet 67.3.
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