DESCRIPTION

Domaine technique

La présente invention concerne un système et un procédé de mesure du contenu électronique total de la ionosphère.

Etat de la technique antérieur

Comme décrit dans la référence [1], la ionosphère est une série de couches ionisées excitées par les rayonnements solaires. Elle se caractérise par sa densité électronique N (nombre d'électrons par mètre cube) dépendant de l'altitude h et son contenu électronique total CET (nombre total d'électrons dans une colonne verticale de 1 m ² de section) , qui peut être défini par les relations suivantes :

IO ¹⁶ e ^~ /m ² < CET < quelques 10 ¹⁸ e ^~ /m ²

La ionosphère est un milieu dispersif pour les ondes électromagnétiques. Sa fonction de transfert H _jLθno (f) est telle que :

H _(ιono) (f)= A _(ιono) (f).e- ^Φ ^ ^f)

Ai _ono (f) est le coefficient de transmission de la ionosphère. Ce coefficient dépend de la fréquence. Les transmissions ne sont plus très

efficaces pour des fréquences inférieures à 100 MHz, en raison de réflexions ou rebonds des ondes électromagnétiques sur les couches ionisées.

Le déphase Φ _iono (f) de Hi _ono (f) , en première approximation, pour un trajet terre-espace est tel que :

φ _{(f) =} -2 - ^ - 40,3 . CET _λ lono V. / c . si •n ( /TE—l) \ ' £ f•

Ei est l'angle d'élévation de l'onde électromagnétique, à l'altitude du maximum de N (point subionosphérique) . La vitesse de la lumière est notée c. Le temps de propagation de groupe τgj. _ono (f) de la ionosphère est donc :

< _f , -± ^dφ >™ u ⁴⁰ > ^{3 •} C ^ET 1 τg _iθ no(f)- _2;r - _df # _c .sin(E)-F

L'erreur de ΔDi _ono de mesure de pseudo¬ distance se déduit de τg-j_ _ono (f) :

^ΔD iono = ^{c • τ} 9iono( ^f )

Le temps de propagation de phase ^τ Ψiono(f) de la ionosphère est donc :

_{l f λ} _ ^τ Φiono( ^f )-

L'erreur ΔVi _ono de mesure de pseudovitesse radiale se déduit du temps de propagation de phase de la ionosphère, noté τφi _ono (f) :

A-r T. ₌ _ d^ ' _i ι _o o _n n _o o( Vf) 7 _# π dτg O _i i _o o _n n _o o(Vf) / _utt -40,3. CET. dEi/dt

^ΔV ιono ^" : # : # dt dt c . tan (Ei) . sin (Ei) . f ²

Les systèmes de radio navigation localisation prétendant accéder à une bonne précision de localisation sont jusqu'à présent bifréquences. Supposons que les fréquences utilisées soient fl et f2, les mesures de distances correspondantes sont notées Dl et D2.

On obtient un système de deux équations à deux inconnues :

Dl = d + ΔD _iono (fl) D2 = d + ΔD _iono (f2)

d'où

(Dl-D2).sin(Ei).fl ² . f2 ²

CET

40,3. (n ² -β ² )

f2 ² .Dl-fl ² .D2 d = f 2* - f l ²

Des équations similaires sont obtenues dans le cas de mesures de vitesse bifréquence.

Parfois, certains systèmes de radio navigation localisation sont contraints par l'utilisation d'une seule fréquence, alors qu'une certaine précision de localisation est recherchée. Le système doit donc disposer d'une ionographie, afin de pouvoir corriger les mesures ; ce qu'il ne peut pas

faire directement en général. Cette ionographie peut être effectuée à l'aide de toutes les mesures réalisées par le système lui-même.

Cette opération est facilitée si le système dispose de références aux coordonnées parfaitement connues (citons le cas des balises d'orbitographie du système DORIS, qui pourtant est un système bifrequence) . En ce cas, les fonctions de ionographie et d'orbitographie sont souvent couplées. Ainsi le système GPS, bien que bifrequence, réalise une ionographie qui est ensuite diffusée dans le message de référence des satellites, sous la forme de coefficients d'un modèle de ionosphère ajusté par des mesures de CET. Cette ionographie est alors utilisée par les récepteurs GPS monofréquence placés au voisinage immédiat de la surface terrestre. Cet exemple montre qu'un système de radiolocalisation monofréquence peut également s'appuyer sur une ionographie réalisée par un système mondial bifrequence extérieur, tel que DORIS, PRARE, GPS ou GLONASS.

Le modèle de ionosphère diffusé par la constellation GPS a été optimisé pour des trajets terre-espace. Il n'est donc pas toujours adapté au cas d'un récepteur GPS monofréquence placé en orbite basse. L'utilisation du filtrage de Kalman des mesures brutes permet de réaliser simultanément une orbitographie autonome ainsi qu'une ionographie autonome. De tels filtres de Kalman pour les récepteurs GPS C/A spatiaux sont actuellement à l'étude. Le vecteur d'état de ces filtres contient à la fois les paramètres d'orbite, les paramètres d'horloge ainsi que des paramètres de la ionosphère.

La référence [2] montre comment des mesures à une seule fréquence peuvent être utilisées pour

réaliser une estimation en temps réel des retards de propagation dus à la ionosphère.

La référence [3] décrit une estimation du retard ionospherique absolu uniquement grâce à des mesures GPS à une fréquence. Le délai ionospherique est obtenu en mesurant la divergence relative entre le code

GPS et la porteuse GPS.

La présente invention a pour objet de pallier les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur, et donc de mesurer le retard ionospherique en utilisant les émetteurs VHF en spectre étalé qui existent dans certains satellites, et notamment les petits satellites, permettant une liaison avec le sol.

Exposé de l'invention

La présente invention concerne un système de mesure du contenu électrique total de la ionosphère comprenant :

- à bord d'un satellite, un émetteur d'un signal cohérent en spectre étalé transmis en VHF ;

- au sol, un dispositif de réception et de traitement du signal VHF reçu permettant de mesurer le contenu électronique total de la ionosphère.

Le segment bord peut être couplé avec une fonction d'initialisation autonome des liaisons spatiales directives ou/et une fonction de transmission de secours, prévue pour certains satellites.

La présente invention concerne également un procédé de mesure du contenu électronique total de la ionosphère, à l'aide d'un signal en spectre étalé transmis à travers la ionosphère dans la bande VHF, ce

procédé étant caractérisé en ce qu'on émet à partir d'un satellite un signal constitué d'un code pseudo¬ aléatoire dans la bande VHF.

On peut également émettre à partir d'une station sol un signal semblable au précédent, répété par un satellite dans la bande VHF.

Dans les deux cas, on reçoit le signal transmis par le satellite dans la station sol, les mesures disponibles dans la station (vitesse de groupe, vitesse de phase) étant utilisées pour déterminer le contenu électronique total de la ionosphère.

Les mesures disponibles dans la station

(distance, Doppler) sont corrigées des effets de la ionosphère à l'aide de la connaissance du contenu électronique total. Ces mesures corrigées sont utilisées pour déterminer l'orbite dudit satellite.

Brève description des dessins

- La figure 1 illustre le système de l'invention ;

- la figure 2 illustre un exemple de segment bord classique ;

- la figure 3 illustre une courbe d' orbitographie sur laquelle sont représentés les cercles de visibilité de stations d'orbitographie et les cercles de visibilité de zones de service.

Exposé détaillé de modes de réalisation

Comme représenté sur la figure 1 le segment bord 10 à l'intérieur d'une satellite 9 comprend un générateur 11 de signaux en spectre étalé en fréquence intermédiaire (par exemple, un générateur de code C/A GPS ou GLONASS en bande LI) relié à une antenne 12 au

travers d'un mélangeur 13, un oscillateur local OL 14 étant relié au générateur 11 et au mélangeur 13 dans le but d'assurer la cohérence entre le code et la porteuse du signal transmis. L'antenne 12 émet un signal en VHF qui, après traversée de la ionosphère 15, est reçu par l'antenne 16 d'une station sol 17. Cette station sol 17 comprend un récepteur de signaux en spectre étalé (par exemple GPS-C/A ou GLONASS-C/A 18, de bande LI) connecté à l'accès de l'antenne 16 au travers d'un amplificateur et d'un mélangeur 19, et en sortie à un ordinateur 20 lui-même relié à un réseau R de stations sols. Un oscillateur local OL 21 est relié au récepteur 18 et au mélangeur 19. Le segment bord 10 et la station sol 17 peuvent avoir des fréquences OL ayant la même valeur.

La figure 2 illustre un exemple classique de réalisation d'un segment bord 10.

L'oscillateur 30 est relié à un générateur de code pseudo-aléatoire 31, lui-même relié à un sommateur 32, qui reçoit sur une autre entrée un signal provenant d'un générateur de message binaire 33 dont le signal d'entrée est référencé E.

L'oscillateur 30 est également relié à un générateur de signal VHF 34. Un modulateur amplificateur 35 (par exemple modulateur MDP2 : modulateur de phase à deux états) reçoit les sorties du sommateur 32 et du générateur 34.

Un amplificateur 36 reçoit le signal de sortie de ce modulateur 35 et est relié à une antenne 37.

Eventuellement un formateur de données 38 peut être positionné sur l'entrée du générateur 33.

Un système de satellite de l'art connu permet de desservir plusieurs zones de service industrialisées contraignantes en terme d'environnement

de brouillage radioélectrique, comme représenté sur la figure 3, les cercle de visibilité des stations dOrbitographie étant référencés 40 et les cercles de visibilité des zones de service étant référencés 41. La charge utile de transmission en VHF n'est pas sensée être utilisée en tant que telle en dehors du survol de ces zones de service.

Un signal de localisation en spectre étalé bénéficiant du maximum de puissance disponible à bord est émis vers le sol lorsque le satellite n'est pas en visibilité d'une zone de service. Ce signal n'est donc pas perturbé par les signaux traités lors des survols des zones de service par la charge utile de transmission. Une ou plusieurs stations réduites de réception situées en dehors de ces zones de visibilité peuvent enregistrer les mesures de pseudovitesse et de pseudodistance réalisées à l'aide du signal reçu, pendant toute la durée du passage de chaque satellite. Ces stations retransmettent leurs mesures à un centre d'orbitographie, par l'intermédiaire d'une ligne de communication (filaire, spatiale ou mixte) . Les sites des stations d'orbitographie sont choisis pour être peu brouillés. De plus, le signal de localisation utilise une liaison espace-terre, peu affectée par les brouilleurs.

Le signal émis en dehors des périodes de visibilité des zones de service est choisi pour permettre la réalisation d'une orbitographie suffisamment précise pour représenter un poste minime dans le bilan d'erreur de localisation des terminaux utilisateurs situés dans les zones de service. Pour cela, on détermine précisément le retard et le Doppler ionospherique altérant le signal reçu par les stations d'écoute déportées (ionographie associée aux stations

d'orbitographie) . Ce retard permet de corriger les mesures utilisées pour l'orbitographie du satellite.

Lorsque cette orbitographie suffisamment précise est connue, il est possible de réaliser la ionographie associée aux zones de service à l'aide de terminaux de référence situés dans lesdites zones.

En effet, si la position de ces terminaux de référence et des satellites est bien connue à tout instant, les mesures de type station-satellite- terminal-satellite-station permettent de déterminer la ionographie associée aux zones de service, tout comme les mesures de type station-satellite-station.

La charge utile génère un pilote en spectre étalé en VHF. Ce signal est généré de façon cohérente à partir de l'oscillateur local (OL) bord. Il bénéficie de la chaîne d'amplification de la voie émission VHF, grâce à un commutateur.

Afin d'écrire l'équation de mesure du contenu électronique total (CET) par le récepteur de la station d'orbitographie, on définit les notations suivantes : fo = fréquence théorique de la porteuse du signal en spectre étalé (Hz)

Ei = angle d'élévation ionospherique (rad) c = vitesse de la lumière (m/s)

Cr = glissement code/porteuse (m/s) Vgr = vitesse de groupe ou vitesse du code (m/s) Vφr = vitesse de phase ou vitesse de la porteuse (m/s) ti = instant de mesure (s) mg = mesure du temps de propagation de groupe, i.e. pseudodistance, dans le cas présent (m) φ = mesure de la phase de la porteuse du signal reçu

(rad) σf = écart type de la mesure de fréquence reçue (Hz)

^σ mg ⁼ écart type de la mesure du temps de propagation de groupe (m)

On obtient

m

Cr = Vgr - Vφr

mg(t2)-mg(tl)

Vgr t2-tl

1 c φ(t2) - φ (tl)

Vφr = —x—x—^^ ^^>

2π fo t2 -tl

L'originalité du système de l'invention consiste à utiliser la bande de fréquence VHF bien plus adaptée que d'autres bandes (comme la bande L) pour réaliser les mesures de CET à l'aide d'un seule fréquence. Ces mesures peuvent être filtrées pour affiner l'estimation du CET. L'ensemble du segment bord, par exemple d'un petit satellite, peut être un émetteur VHF cohérent en spectre étalé standard. L'antenne d'émission et l'oscillateur peuvent être standard, eux aussi. L'oscillateur doit toutefois être suffisamment stable, de façon à ce que sa contribution à la mesure de Vφr soit négligeable.

Le segment bord décrit précédemment peut être couplé avec une autre fonction de ces satellites, les petits satellites en particulier : l'initialisation autonome des liaisons spatiales directives.

Les petits satellites mettent en général en jeu deux types de liaisons spatiales :

- non directives (à relativement faible débit, en VHF par exemple) ; - directives (à relativement haut débit, en bande S par exemple) .

L'invention peut donc utiliser les besoins déjà existants de satellites, par exemple de petits satellites, qui utilisent un émetteur en spectre étalé en VHF pour transmettre des données vers le sol et permettre de faire des mesures de distance et/ou de vitesse dudit satellite en effectuant le traitement des signaux reçus au sol, pour effectuer une mesure du retard ionospherique.

On peut envisager un fonctionnement bidirectionnel, c'est-à-dire une liaison montante suivie d'une liaison descendante, en utilisant un répéteur transparent ou transpondeur à l'intérieur du satellite. Dans ce cas, la station sol utilisatrice est une station d'émission/réception. Cette station contient à la fois le dispositif 10 de génération et d'émission des signaux, ainsi que le segment sol de réception 17 décrit précédemment. Dans ce cas, les signaux générés par les oscillateurs locaux 14 et 21 sont générés de façon cohérente, à partir de la même référence de fréquence. Dans le cas d'un tel fonctionnement bidirectionnel, on peut également utiliser deux bandes de fréquence (par exemple bande UHF pour la liaison montante et bande VHF pour la liaison descendante) .

REFERENCES

[1] "Techniques et technologies des véhicules spatiaux" (CNES, Cépaduès-Editions, tome 1, module 6, pages 628 à 633)

[2] "Single Frequency Ionosphère Détermination Using GPS" de M.L. Trethewey, I. Catchpole et A. Hansla (IONGPS-93 Proc, septembre 1993, pages 1373 à 1381)

[3] "Estimation of Absolute Ionospheric Delay Exclusively Through Single- Frequency GPS Measurements" de CE. Cohen, B. Peervan et B.W. Parkinson (ION GPS-92 Proc, septembre 1992, pages 325 à 330)