Brevet FR2746232A1 — publié le 19970919

PROCEDE DE REDUCTION AUTONOME DES SEUILS D'ACQUISITION ET DE POURSUITE DES PORTEUSES RECUES EN ORBITE DESCRIPTION Domaine technique L'inventif concerne un procédé de réduction autonome des seuils d'acquisition et de poursuite des porteuses reçues en orbite. Etat de la technique anterleure L'invention combine trois éléments de base - un récepteur de signaux radioélectriques ; - un filtre d'orbitogra?hie embarqué - une technique de réduction de seuil par aide précise en vitesse radiale. On va consicerer ci-dessous chacun de ces trois éléments. Le récepteur peut être n'importe quel écuipement radioélectrique, à bord d'un satellite (références [1], [2], [5]). Les signaux reçus peuvent être émis par d'autres satellites en orbite ou depuis des points fixes au sol. A titre d'exemple, ces récepteurs peuvent être du tz?e - récepteur GPS, GLONASS, GNSâl, GNSS2 - transpondeur ; - récepteur DORIS NG - récepteur DORIS bande étroite. Les constellations de satellites GPS et GLONASS sont respectivement décrites dans les références [3] et [4] Le GNSS1 désigne les compléments géostationnaires à GPS et/ou GLONASS utilisant les charges utiles de navigation des satellites INMARSAT 3. Le GNSS2 désigne la future constellation "civile" de satellites de navigation. DORIS bande étroite désigne un système mondial de radiolocalisation et de radionavigation issu du CNES (Centre National d'codes Spatiales). Les signaux transmis par le système sont en bande étroite. DORIS NG désigne un projet de système mondial de radionavigation et de radiolocalisation spatiale, basé notamment sur l'utilisation de signaux en spectre étalé transmis par des balises au sol, et reçus par des satellites en orbIte. Le filtre d'orbtograpnie est un traitement numérique, localisé cans le récepteur, par exemple. I1 utilise les mesures brutes faites par ces derniers, c'est-à-dire ces mesures de pseudovitesse relatives aux émetteurs de signaux radioélectriques (au sol ou en orbite). Ces mesures peuvent éventuellement être complétées par des mesures de pseudodistances, élaborées à l'aide de ia modulation des porteuses reçues. Ces mesures sont traites pour déterminer de façon autonome les paramètres orbitaux et/ou la position et la vitesse du satellite porteur. La detinition de ces mesures est donnée dans la référence [5] . Le filtre peut être des rixes su suivants, cités à titre d'exemple - filtre de 'alman ci. eterence [6]) - filtre à moindres carrés sImples - filtre à moindres carrés récursifs. Ce filtre est également capable de déterminer les paramètres suivants Vi = Di = Vitesse radiale entre le satellite et l'émetteur n i. Ati = Dérive relative entre l'horloge de l'émetteur n i et l'horloge du récepteur. Le filtre peut donc estimer les pseudovitesses PVi. PVi = Vi + C.T1 Les grandeurs citées peuvent être estimées même si les signaux provenant de l'émetteur n i ne sont pas traités par le récepteur et le filtre de navigation associé, pourvu que la position, la vitesse et les coefficients d'horloge dudit émetteur puissent être estimés ou connus par ailleurs. Le navigateur orbital estime ces pseudovitesses avec la orecision #PV. Le navigateur orbital peut recevoir des télécommandes de description de manoeuvre du satellite porteur. Ces manoeuvres peuvent étre décrites par les paramètres #Vx(t0) ; #Vy(t0) et AVz(tO), où les #Vi représentent les composantes de l'impulsion en vitesse prévue à la date tO. Les manoeuvres sont décrites avec une précision notée #Vx, #Vy, èVy, & ;z pour les trois axes. La précision globale do la description de la manoeuvre est avec La technique de réduction de seuil par aide précise en vitesse radiale (ou pseudovitesse radiale) s'applique au cas de récepteurs munis d'une (ou plusieurs) boucle(s) de phase. On suppose que ces boucles sont réalisées en technologie numérique. Lorsque le signal est reçu avec un rapport C/No inférieur au seuil d'accrochage en mode d'acquisition aidée classique, l'oscillateur commandé numériquement (OCN) de la boucle de porteuse est piloté par une prédiction externe de vitesse (ou pseudovitesse) radiale. L'accrochage en mode d'acquisition aidée classique est illustré cans la révérence [1]. Cette prés action de vitesse doit être fine et provient d'un capteur dfférent du récepteur. Par exemple, ledit capteur peut être typiquement une centrale inertielle. Une telle technique peut être également utiiisee pour la poursuite des porteuses des signaux GPS à faible rapport C/No équivalent, reçus par des précepteurs GPS interfacés avec ces centrales inertielles, fournissant une aide fine de vitesse auxdits récepteurs. L'invention a pour objet un procédé de réduction autonome ces seuils d'accuisition et de poursuite des porteuses reçues en orbite. exposé de l'invention L'invention concerne un procédé de réduction autonome ces seuils d'accuisition et de poursuite des porteuses reçues en orbite par un récepteur accédant a un naviçateur orbital intégré interne ou externe audit récepteur, caractérisé en ce que, le récepteur comportant une boucle de phase, celle-ci, qui est chargée de l'acquisition et/ou de la poursuite de la porteuse, est "poussée" par l'aide de vitesse, et rattrape l'erreur entre la pseudovitesse réelle et la pseudovitesse calculée, la recherche de la fréquence Doppler de la porteuse reçue s'effectuant autour d'une prédiction de fréquence entretenue par l'aide de vitesse fine provenant du navigateur orbital. Le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes - le récepteur reçoit les aides nécessaires à l'acquisition aidée classique, cui permettent au récepteur d'accrocher tous les signaux avec un rapport C/No tel que C/No > (C/No)a, (C/No)a étant le seuil d'accrochage en mode d'acquisition aidée classique ; - on réduit les seuils des porteuses jusqu'à la valeur (C/No)aQ,ff, (C/No)a.7- étant le seuil d'accrochage des porteuses en mode d'acquisition aidée par une aide fine en vitesse, l'aice ce vitesse fine provenant du navigateur orbital. Ledit procédé peut comporter une étape préliminaire pendant laquelle le récepteur démarre à froid sans aucune aice cu message externe ou interne, et accroche tous les signaux avec un rapport C/No tel que : C/No > (C/No) na ; (C/No)na étant le seuil d'accrochage en mode non aidé. En te cas, l'autonomie du récepteur est totale. En cas de manoeuvre dédiée au contrôle d'orbite du satellite, le navigateur orbital reçoit la description desdites manoeuvres, et met à jour l'aide de vitesse fournie par le navigateur. Pour que l'accrochage des porteuses reçues avec des faibles rapports C/No soi toujours possible e7 cas de manoeuvre, la condition suivante doit être respectée, au premier ordre B (#PV + #V) fi où bPV est l'incertitude sur la prédiction sur la pseudovitesse fournie par le navigateur en absence de manoeuvre, où #V est la précision sur la description de la manoeuvre, où B est la bande d'analyse, C la vitesse de la lumière et f1 a fréquence du signal porteuse transmis par l'émetteur n i Lorsqu'une porteuse modulée par des données est poursuivie avec un rapport C/No tel que (C/No)avf Le procédé de l'invention consiste à réduire les seuils d'acquisition et de poursuite des porteuses par des récepteurs pour satellites munis d'un filtre d'orbitographie embarqué. Cette réduction de seuil est réalisée de façon autonome par lesdits récepteurs utilisant l'invention. Cette réduction de seuil peut être importante. Brève description des cessions - La figure I ilustre un sonema synoptique d'un récepteur à seuil réduit oar aide de vitesse fine externe selon l'invention - la figure 2 illustre un schéma synoptique d'un récepteur intégrant o Hispositif de l'invention - la figure 3 illustre une variante de l'invention ; - la figure 4 illustre l'application de l'invention dans le cas d'un récepteur de signaux en spectre étalé. Exposé détaillé de modes de réalisation La figure 1 illustre un récepteur en spectre étalé à seuil réduit par aide de vitesse fine externe, seule l'architecture de base du traitement numérique étant représentée. Ce récepteur 10 comprend au moins un module RF 11 relié à au moins une antenne 12 dont le signal de sortie est relié à un ciscriminateur 13 de la boucle de phase suivi d'un filtre de boucle 14, et d'un sommateur 15. Un module OCN (oscillateur commandé numériquement) porteuse 16 transmet une porteuse locale Di en phase (et en quadrature dans certains cas) au discriminateur 13, et est relié à la sortie du sommateur 15. Le discriminateur 13 peut intégrer un filtre de prèdétection. Le commutateur 15 reçoit également un signal en provenance d'un ensemble capteur et calculateur de vitesse externe 17 (centrale inertielle par exemple) , à travers un commutateur 18. Le commutateur 18 est refermé lorsque la boucle de porteuse 19 nécessite l'aide de vitesse fine externe pour l'accrochage et/ou la poursuite des porteuses reçues. Poursuite La boucle de hase, chargée de la poursuite des porteuses, est "poussée" car l'aide de vitesse. En d'autres termes, l'oscillateur CON de cette coude fait varier la phase de la porteuse locale avec une vitesse égale à l'aide de la prédiction externe de vitesse. La boucle de phase ainsi "poussée" rattrape l'erreur entre la vitesse réelle et la vitesse calculée. L'ordre de cette boucle doit être suffisant pour maintenir l'oscillateur OCN asservi, ce qui permet de produire des mesures de pseudovitesse, à l'aide d'un compteur Doppler. Acquisition La boucle de phase, chargée de l'acquisition des porteuses, est également "poussée" par l'aide de vitesse fine. La recherche de la réquence Doppler de la porteuse reçue s'effectue autour d'une prédiction de fréquence (prépositionnement Doppler fin) entretenue par l'aide de vitesse externe. La zone de recherche de la fréquence de la porteuse reçue est plus petite cue dans le cas d'une acquisition en mode aidé classique. En effet, le principe décrit fonctionne si l'incertitude de la prédiction Doppler #FD est inférieure à une bande d'analyse B. L'incertitude #PV sur la prédiction de pseudovitesse doit donc respecter les relations suivantes B AD0 fi ou C est la vitesse de la lumière et f la fréquence du signal porteuse transmis par l'émetteur n i Ainsi, les zones d'incertitude en Doppler étant plus faibles que dans les cas classiques, la ecnercne d'énergIe po s'effectuer avec une vitesse de balayage de la porteuse locale beaucoup plus lente que dans ces cas classiques, pour une même durée de recherche notée T. Le seuil d'acquisition s'en trouve ainsi réduit. On définit les rapports C/No suivants (C/No)na = Seuil d'accrochage en mode aidé. (C/N )a = Seuil d'accrochage en mode d'acquisition aidée classique (C/No)av = Seuil d'accrochage des porteuses en mode d'acquisition aidée par une aide fine de vitesse La définition des seuils (C/No) na et (C/No)a est détaillée en référence [1]. Le seuil (C/No)2vf est une fonction de plusieurs paramètres. (C/No) av = g(T;6PV;3) L'invention se caractérise par le procédé suivant, mis en oeuvre Bans un récepteur en spectre étalé pour satellite, muni d'un navigateur orbital. Etape 1 (facultative) Le récepteur démarre à froid (sans aucune aide ou message externe ou interne) . il accroche tous les signaux avec un rapport C/No tel cue C/No > (C/NO)na Les premiers signaux accrochés peuvent éventuellement permettre au récepteur de - recevoir des messages permettant de déterminer la position et/ou la vitesse et/ou les coefficients d'horloge des émetteurs n i - faire converger le navigateur orbital, à l'aide des premières mesures de pseudovitesse réalisées et des datations associées. Cette premier étape est nécessaire pour les missions spatiales entièrement autonomes. stade 2 Le récepteur reçoit des aides nécessaires à l'acquisition aidée classique. Ces aides sont peu précises (grossières) et du tvpe 1) Date et temps de l'horloge du récepteur. 2) Positions/vitesses (ou, éventuellement, paramètres orbitaux) des émetteurs. 3) Position/vitesse ou paramètres orbitaux du satellite porteur. Ces aides peuvent provenir en partie ou totalement de l'étape 1. Dans ce cas, elles sont internes au récepteur (par exemple : les positions/vitesses des émetteurs peuvent être transmises par lesdits émetteurs). La fonction d'autonomie est conservée. Dans le cas Où tout ou partie de ces aides grossières est corwmunizué au récepteur par le biais de télécommandes externes, celu- r'est plus entièrement autonome. Dans le cas où l'étape 1 n'est pas réalisée, ces aides sont obligatoirement externes au récepteur. Ces aides grossières permettent au récepteur d'accrocher tous les signaux avec un rapport C/No tel que C/No > (C/No) a Le nombre ce mesures de pseudovitesse augmente alors, par rapport au cas de l'étape 1, car (C/No) a Le nombre de ces mesures est supposé suffisant pour faire converger le navigateur orbital fournissant les paramètres orbitaux du satellite porteur avec une précision meilleure cue dans l'étape 1. Etape 3 L'étape 2 étant réalisée, on suppose que la précision des paramètres de sortie du navigateur orbital et des paramètres caractérIstiques des émetteurs est compatible avec la finesse de l'aide de vitesse requise pour réduire encore les seuils d'accrochage des porteuses, jusqu'à la valeur (C/No) avf Contrairement à l'état de l'art connu, l'aide fine de vitesse provient du navigateur orbital intégré au récepteur. Cette aice est donc interne et l'autonomie est conservée, comme représenté sur la figure 2. La précision du navigateur peut donc être encore améliorée. Par ailleurs, en cas de dégradation progressive du bilan de liaison avec les émetteurs, la dégradation de cette précision peut être limitée. On a donc (C/No) avf Etape 4 En cas de manoeuvre dédiée au contrôle d'orbite du satellite, le navigateur orbital reçoit la description desdites manoeuvres, et met à jour l'aide de vitesse fournie par le navigateur. Pour que l'accrochage des codes pseudoaléatoires reçus avec des faibles rapports C/No soit toujours possible en cas ce manoeuvres, la condition suivante doit être respectée au premier ordre B (#PV + #V) fi où 5PV est la prédiction sur la pseudovitesse fournie par le navigateur en absence de manoeuvre, et 5V est la précision sur la description de la manoeuvre. Drape 5 Lorsqu'un code pseudoaléatoire est poursuivi avec un rapport C/No tel que (C/No)avf Dans ce dernier cas, les mises à jour des paramètres caractéristiques des émetteurs (positions et/ou vitesses et/ou coefficients d'horloge) doivent donc être communiquées au récepteur à l'aide de télécommandes externes, si nécessaire. Par exemple, dans le cas d'un récepteur GPS ou GLONASS, ces paramètres peuvent être les éphémérides de la constellation utilisée. La figure 2 illustre un récepteur 29 de signaux radioélectriques pour satellites qui comprend au moins un module R.- 30, recevant un signal en provenance d'au moins une antenne 31, relié à au moins une boucle de phase 32. Un navigateur orbital intégré 33 reçoit de la boucle de phase les données si (C/No) > (C/No) a Ce navigateur envoile à la boucle de phase une aide de vitesse veine. Le navigateur orbital intégré reçoit la cestription de manoeuvres du satellite et les données externes. La figure 3 il us.-e une variante de l'invention, où le navigateur orbital est intégré dans un calculateur de bord 34 présent dans le satellite. La figure 4 illustre un exemple de l'invention, où le récepteur 29 peut traiter des signaux en spectre étalé. Le récepteur 29 comprend au moins une boucle de phase 32 et au moins une boucle de code 35. La boucle de phase 32 tompreno un commutateur 19, placé entre le filtre de boucle F(p) 14 et le sommateur 15. La boucle de code comprend un ciscriminateur 36, recevant les porteuses modulées par es codes pseudoalêatoires reçus, provenant d'un module RF 11. Ce discriminateur peut intégrer un filtre de prédétection. La sortie de ce discriminateur est reliée à un filtre de boucle G(P) 37. Un sommateur 38 reçoit la sortie du filtre 37 et le signal vitesse OCN porteuse fourni par 1'OCN porteuse 16. La sortie de ce sommateur est connectée à un OCN code 39, lui-même relié à un générateur de codes locaux 40. Ce générateur 40 est relié d'une part à un corrélateur 41 et lui délivre le code local en phase, et d'autre part au discriminateur 36, et lui délivre le code local en avance et le code local en retard. Le discriminateur 13 de la boucle de phase est relié au corrélateur 41. La boucle de code 35 reçoit une aide de vitesse fine issue du NCO porteuse 16. Le commutateur 18 est fermé si la boucle de porteuse nécessite une aide de vitesse fine provenant du navigateur orbital intégré 33, pour fonctionner en mode d'accrochage et/ou ce poursuite de la porteuse. Le commutateur 18 reste fermé si C/No Exemples d'application Les applications du procédé de l'invention concernant la réception de porteuses à bord de satellites concernent les cas défavorables de bilans de liaison entre les émetteurs utilisés et lesdits satellites. Par exemple ces applicatIons peuvent être du point de vue des types de récepteurs * Navigation à l'aide d'un récepteur de constellation de satellites (comme G?S, GLONASS). * Navigation à l'aide d'un transpondeur en spectre étalé. Le bilan de liaison peut être défavorable en début et en fin de survol d'une station de télécommande/télémesure (TM/TC), ou en début et en fin de passage d'un satellite relais tel que TDRSS. * Navigation à l'aide d'un récepteur DORIS bande étroite. * Navigation à l'aide d'un récepteur de signaux en spectre étalé transmis par un parc de balises au sol, munies d'antenne à diagramme de type hémisphérique. La puissance transmise par ces balises est supposée optimisée pour une utilisation par des satellites en orbite basse. Le bilan de liaison est donc supposé moins favorable pour un satellite en orbite géostationnaire, par exemple. * Détection d'attitude à l'aide d'un récepteur de constellation de satellites (comme GPS, GLONASS) ou de signaux en spectre étalé transmis par un parc de balises au sol (comme DORIS NG). Le nombre de mesures interfêrométriques obvenues à l'aide des porteuses reçues pour C/No # (C/No)a n'est pas nécessairement suffisant pour les applications de détection de l'attitude. L'acquisition et/ou la poursuite des porteuses reçues pour C/No # (C/No)avf peut être nécessaire dans certains cas. du point de vue de5 roi tes * Navigation à l'aide d'un récepteur GPS, ou DORIS NG pour certaines orbites de transfert géostationnaire. Ces orbites de transfert géostationnaire peuvent être des types suivants - orbite de transfert géostationnaire classique (OTG) - orbite supersynchrone (OSPS) - orbite sub-synchrone (OSBS) - orbite de dérive (ODD) Ces navigations peuvent être réalisées avec au moins deux antennes à faible gain, si le seuil d'accrochage des signaux est faible (cf. référence [7]). * Navigation à l'aide d'un récepteur en orbite à haut apogée pouvant être des types suivants cités à titre d'exemple (cf. référence [8]) - orbite Molniya - orbite Toundra - croire Archimece. * Navigation à l'aide d'un récepteur en orbite circulaire pour constellation de satellites de navigation, de période de l'ordre de douze heures. La réception de balises au sol à antienne hémisphérique est adaptée à ce cas de figure. * Navigation à l'aide d'un récepteur en orbite basse, connecté à une ou plusieurs antennes de réception à faible coût, et donc non optimisées, mais suffisamment bonnes pour permettre au récepteur de réaliser l'étape 2 décrite dans l " r.vention. REFERENCES [1] "Orbital Navigation With a GPS Receiver On The HETE Spacecraft" (ION GPS janvier 94, pages 645-656) [2] "ESA Dual-Standard S-Band Transponder : A Versatile TT & C Equipment For Communications Via A Data Relay Satellite Or Directly With The Ground Network" de J.L. Gerner (42nd Congress Of The International Astronautical Federation, 5-11 octobre 1991) [3] "Accord de standardisation ; caractéristiques du système mondial de aétermination de la position NAVSTAR (GPS)" (OTAN, STA-JrlG 4294) [4] "GLONASS Approaches Full Operational Capability (FOC)" de P. Daly ( ION GPS, septembre 1995) [5] "Techniques et technologies des véhicules spatiaux module 6. Localisation spatiale" (Editions Cépaduès) [6] "Low-Orbit Navigation Concepts" de H.James Rome (vol. 35, n 3, Fall 1988, pages 371-390) [7] "GPS Techniques For Navigation Of Geostationary Satellites" de P. rerrage, J.L. Issler, G. Campan et J.C. Durand (ION GPS, 12-15 septembre 1995) [8] "Applicability O G?S-Based Orbit Determination Systems To A Wide Range o rEO Missions" de J. Potti, P. Berneco et A. Pasetti (ION GPS, 12-15 septembre 1995) REVENDICATIONS 1. Procédé de réduction autonome des seuils d'acquisition et de poursuite des porteuses reçues en orbite par un récepteur accédant à un navigateur orbital interne ou externe audit récepteur, caractérisé en ce que, le récepteur comportant au moins une boucle de phase, cette boucle de phase, chargée de l'acquisition et/ou de la poursuite de la porteuse, est "poussée" par l'aide de vitesse fine, et rattrape l'erreur entre la vitesse réelle et la vitesse calculée, la recherche de la fréquence Doppler de la porteuse reçue s'effectuant autour d'une prédiction de fréquence entretenue par l'aide de vitesse fine provenant du navigateur orbital. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - le récepteur reçoit les aides nécessaires à l'acquisition aidée classique, qui permettent au récepteur d'accrocner tous les signaux avec un rapport C/No tel que C/No > (C/No)a, (C/No)a étant le seuil d'accrochage en mode d'acquisition aidée classique - on réduit les seuils des porteuses jusqu'à la valeur (C/No)avf, (C/NO)avf étant le seuil d'accrochage des porteuses en mode d'acquisition aidée par une aide fine en vitesse, l'aide de vitesse fine provenant du navigateur orbital. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en cas de manoeuvre dédiée au contrôle d'orbite du satellite, le navigateur orbital reçoit la description desdites manoeuvres, et met à jour l'aide de vitesse fournie par le navigateur, et en ce que la condition suivante est respectée B (6PV + 5V) fi où #PV est l'incertitude sur la prédiction sur la pseudovitesse fournie par le navigateur, en absence de manoeuvre ; où 5V est la précision sur la description de la manoeuvre ; où B est la bande d'analyse, C la vitesse de la lumière et fi la fréquence du signal porteuse transmis par l'émetteur n i. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsqu'une porteuse modulée par des données est poursuivie avec un rapport C/No tel que : (C/NO)avf