Brevet FR2793620A1 — publié le 20001117

PROCEDE DE COMMUNICATION ENTRE UNE STATION TERRESTRE ET UN SATELLITE NON-GEOSTATIONNAIRE. La présente invention a pour objet un procédé de communication entre une station terrestre et un satellite non-géostationnaire par l'intermédiaire d'au moins un satellite de fourniture de service, par exemple un satellite géostationnaire faisant partie d'une constellation de satellites fournissant une infrastructure de communications pour systèmes mobiles. I1 existe actuellement un intérêt marqué à développer des programmes à faible coût permettant des observations scientifiques et terrestres par satellite. Un point crucial pour cette application est la communication entre le satellite non-géostationnaire, en particulier un satellite à orbite basse LEO, ou à orbite moyenne MEO, et une station de contrôle au sol, étant donné que la vitesse élevée du satellite LEO ou MEO limite les possibilités de communication. Le temps de communication entre le satellite non-géostationnaire et la station au sol, qui dépend de l'altitude et de l'inclinaison du satellite en orbite, ainsi que de la latitude de la station au sol, est en général très bref. Par ailleurs, les réseaux de communication entre des satellites à orbite basse LEO et des satellites à orbite géostationnaire GEO offrent des solutions valables pour effectuer des contacts entre deux points fixes ou mobiles sur terre. Il semble donc très approprié d'utiliser le même réseau pour réaliser des liens de communication entre des petits satellites et leurs stations de contrôle au sol étant donné que cela permettrait de réaliser des économies substantielles sur les frais d'infrastructure et de mission. En effet, les frais opérationnels représentent souvent plus d'un tiers du budget total d'un programme de satellite. Un tel concept selon lequel on utilise un ou plusieurs satellites d'un système de communications pour mobiles par satellite MSS pour réaliser une communication entre une station terrestre et un satellite non- géostationnaire a été suggéré par l'article de Hans- Jurgen Fischer et al. intitulé The Potentiality of Commercial Satellite-Based Communication Networks for Telemetry and Commanding of Small Satellites paru dans le Compte-rendu de la 11efie AIAA/USU Conférence On Small Satellites de Septembre 1997, pages 1 à 7. Cependant, cet article ne fournit pas d'analyse détaillée relative à la faisabilité du concept ni à son potentiel opérationnel. En outre, la colonne 2 de la page 3 et la colonne 1 de la page 4 de cet article font état d'un certain nombre de contraintes importantes relatives à un tel système. Un concept similaire a également été décrit dans l'Article de William E. RYAN et al. intitulé "Design of a Low-Orbit-to-Geostationary Satellite Link for Maximal Throughput paru dans IEEE Transactions on Communications, vol. 45, n 8, Août 1997, p. 988-995. La présente invention a pour objet un procédé de communication de type précité, dans lequel au moins certaines des contraintes des procédés connus sont améliorées, voire supprimées, grâce à une ou plusieurs améliorations relatives aux moyens de communication entre le satellite non-géostationnaire et le ou les satellites de fourniture de services notamment pour mobiles. Dans ce but, l'invention concerne un procédé de communication entre une station terrestre et un satellite non-géostationnaire par l'intermédiaire d'au moins un satellite de fourniture de service, caractérisé en ce que le satellite non-géostationnaire présente un terminal de communication embarqué apte à communiquer avec ledit satellite de fourniture de service, et en ce qu'il met en ceuvre une mise en communication entre le satellite non-géostationnaire et un dit satellite de fourniture de service pendant des fenêtres temporelles où le décalage ou déplacement Doppler, c'est-à-dire la variation de fréquence due à l'effet Doppler, a une valeur maximale ou est voisin de sa valeur maximale. De préférence, ledit satellite de fourniture de service est géostationnaire, et il peut faire partie d'un système de satellites géostationnaires tel qu'INMARSAT. Le procédé selon l'invention s'applique particulièrement bien au cas de satellites non- géostationnaires placés sur une orbite basse (LEO). Il est particulièrement avantageux que chaque fenêtre temporelle encadre un instant où le déplacement Doppler a ladite valeur maximale. Le procédé peut mettre en #uvre, sur le terminal de communication embarqué, une détermination du déplacement Doppler et une compensation de celui-ci, par exemple en réalisant un décalage de fréquence pour suivre le déplacement Doppler, et le compenser. Le terminal de communication peut alors présenter une voie de retour vers le satellite de fourniture de service qui assure également un décalage de fréquence compensant l'effet Doppler. Le terminal de communication embarqué sur le satellite non-géostationnaire peut être couplé à au moins une antenne fixe pointée pour communiquer avec ledit satellite de fourniture de service notamment pour mobiles, et'en particulier il comporte deux antennes dont l'une est pointée vers l'avant et l'autre vers l'arrière en correspondance avec les deux positions orbitales dans lesquelles peuvent être ménagées les fenêtres temporelles précitées. En variante, le terminal de communication embarqué sur le satellite non-géostationnaire peut être couplé à une antenne orientable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins dans lesquels - la figure 1 est un diagramme général illustrant le concept de l'invention ; - la figure 2 illustre la mise en ceuvre du concept de l'invention dans le cadre d'une constellation de satellites MSS de fourniture de service du type INMARSAT ; - la figure 3 illustre la géométrie du système ; - la figure 4 illustre une configuration de fenêtre temporelle conforme à l'invention ; - la figure 5 illustre un mode de compensation Doppler selon l'invention. Comme le montre la figure 1, la station au sol 1 est reliée par une liaison bidirectionnelle 3 à un satellite de fourniture de service référencé 10, qui fait par exemple partie d'un système de communications par satellites pour mobiles ou MSS (Mobile Satellite System"), lequel est à son tour relié par une liaison de communication bidirectionnelle avec un satellite non- géostationnaire 20, la communication vers la station terrestre 1 et le satellite utilisateur 20 étant relayée par le satellite de service 10. Le satellite 20 présente un terminal de communication embarqué 21, qui est par exemple un transpondeur de suivi de télémétrie et de commande TT & C embarqué à bord du satellite 20. Le satellite 10 peut faire partie d'un système MSS qui est par exemple le système géostationnaire INMARSAT ou bien tout autre système de satellites géostationnaires susceptible de fournir des services à des terminaux terrestres. Le satellite 10 pourrait également faire partie d'un système de constellation multi-satellites. Dans la suite de la description, le système sera, uniquement à titre d'exemple, décrit dans le cadre d'un système géostationnaire du type INMARSAT. On comprendra que, dans le cadre de la présente invention, d'autres constellations de satellite, géostationnaires ou non tels qu'EUTELSAT, et ou bien encore INTELSAT, GLOBALSTAR (système sur orbite basse) ou ICO GLOBAL (système sur orbite moyenne), pourraient être mises en #uvre. La station terrestre peut être de type connu et elle peut même se réduire à des terminaux standards aussi simples qu'un téléphone portable couplé à un ordinateur personnel équipé d'un modem. Pour revenir au système INMARSAT, celui-ci fournit une infrastructure de communication à couverture quasiment planétaire. Certains des services fournis sont en particulier INMARSAT-A, service analogique d'origine pour bateau, INMARSAT-B, la version numérique qui lui a succédé, INMARSAT-C, qui est le premier service de communication personnelle par satellite, INMARSAT-M, qui est le premier téléphone mobile portable de la taille d'un porte-documents, et AERO-I, un service de téléphone- fax et de données pour les avions à courtes et moyennes portées qui fonctionnent avec les faisceaux étroits d'INMARSAT-3. La constellation de satellites INMARSAT-3 comporte quatre satellites géostationnaires opérationnels, plus un sur une orbite de réserve, et fournit une couverture géographique complète jusqu'à des latitudes de plus ou moins 70 et introduit une technologie de faisceaux étroits qui permet de réaliser des liens de mobile à mobile. Dans le cadre de la présente invention, on utilise cependant de préférence les faisceaux INMARSAT à large couverture destinés à fournir une couverture complète de la planète. Chaque service INMARSAT présente une bande passante associée, et pour assurer une utilisation optimale de la bande passante disponible et éviter des interférences entre les canaux adjacents, la précision en fréquence des porteuses des terminaux mobiles doit être inférieure à 300 Hz. Pour les services aéronautiques, une compensation Doppler est mise en #uvre dans le terminal mobile pour corriger des décalages Doppler jusqu'à 2 kHz. Le satellite utilisateur 20 est enregistré dans l'environnement INMARSAT en tant que poste mobile. I1 transmet et reçoit des données à travers un transpondeur 21 compatible INMARSAT. Ce concept est représenté à la figure 2. La station terrestre 1 représentée sous la forme d'un PC équipé d'un modem est en communication avec un réseau de communication RES pourvu d'une antenne 2 qui est en communication avec des liaisons bidirectionnelles 4 en bande C avec un ou plusieurs satellites, par exemple 101 et 102, du système INMARSAT. I1 est également possible que la station terrestre 1, par exemple un téléphone portable, soit en liaison directe par une ligne bidirectionnelle en bande L avec un satellite, par exemple 101, lorsque celui-ci est directement accessible. En général, des communications sont acheminées à travers des stations terrestres 2 qui servent de portail au réseau assurant un accès bidirectionnel. La transmission entre le satellite 20 et la Terre, dénommée transmission de télémétrie, peut être réalisée de la manière suivante Le satellite utilisateur 20 sélectionne une station au sol et compose les codes d'accès pour la destination désirée, en y ajoutant les informations d'identification. Le satellite 20 transmet l'information sur un canal qui a été spécialement affecté, et la station au sol dirige l'appel à travers les réseaux de télécommunications publiques vers la destination désirée. Pour permettre un appel entre la Terre et le satellite utilisateur, une procédure est mise en route à partir de la station au sol 1 pour diriger l'appel vers une station au sol appartenant au réseau INMARSAT. Le numéro d'appel du satellite utilisateur 20 est un numéro unique qui comprend un code régional de satellite et un numéro de code INMARSAT pour le terminal utilisateur. La station de relais INMARSAT transmet cette information sur un canal spécialement affecté par le coordinateur du réseau. Le but de l'invention est d'établir des intervalles de communication qui tiennent compte de l'effet Doppler. La variation de fréquence due à l'effet Doppler, ici dénommée déplacement Doppler, résulte du mouvement relatif entre le satellite utilisateur 20 et les satellites du système INMARSAT, par exemple le satellite 101. La vitesse relative dépend essentiellement de l'orbite du satellite utilisateur 20 et de son inclinaison. La géométrie en est représentée à la figure 3. Le décalage Doppler est égal à 0 lorsqu'il n'y a pas de mouvement relatif "radial" entre le satellite utilisateur et le satellite 101. Ceci intervient quand le satellite 20 et le satellite 101 sont au point le plus proche (point A) ou au point le plus éloigné A', mais dans ce dernier cas, il se produit un effet d'éclipse dû à la terre T entre les deux satellites. Le plus grand déplacement Doppler intervient en bord de couverture C (instant to) lorsque l'angle entre les vecteurs vitesse est minimal (ou proche de 180 dans le cas symétrique où le satellite 20 et le satellite 101 voyagent dans des directions opposées). Dans les opérations mettant en ceuvre le système INMARSAT, le plus grand déplacement Doppler intervient pour une inclinaison orbitale de 98 lorsque le n#ud ascendant ou descendant du satellite utilisateur 20 coïncide avec la longitude d'un satellite INMARSAT. Le déplacement Doppler maximal décroît légèrement lorsque l'altitude du satellite 20 et son inclinaison augmente. Ces valeurs sont de l'ordre de 40 kHz. Elles sont comprises entre approximativement 38,4 kHz et 42,4 kHz pour des inclinaisons orbitales du satellite utilisateur 20 comprises entre 0 et 98 , et des altitudes comprises entre 300 km et 800 km. Les niveaux élevés de ces déplacements Doppler ne permettent pas d'utiliser les services INMARSAT standard sans qu'une compensation Doppler ne soit appliquée au satellite utilisateur 20. Une telle compensation ne peut être effectuée qu'en relation avec un seul satellite. De ce fait, et pour éviter les interférences avec les autres satellites, il est préconisé d'utiliser une antenne directionnelle. I1 est possible de choisir une bande de fréquence spécifique qui permet d'englober la variation totale de fréquences due à l'effet Doppler du satellite utilisateur 20. Au cas où une antenne omnidirectionnelle est utilisée par le satellite utilisateur, cette bande passante est préférentiellement allouée à des régions océaniques adjacentes pour éviter les interférences. Pour réaliser une liaison de données avec un petit satellite à orbite basse ou moyenne, qui soit avantageuse du point de vue coût, il est possible de se concentrer sur les services des terminaux standard du système INMARSAT, lesquels fournissent les solutions les plus simples. Selon l'invention, l'utilisation des services standards du système INMARSAT est réalisée en restreignant les communications à des portions de l'orbite du satellite utilisateur 20 où l'écart Doppler se trouve dans une fenêtre de valeurs données. Etant donné que le déplacement Doppler entre le satellite utilisateur et le satellite du système INMARSAT dépend du satellite INMARSAT choisi, ce scénario met en oeuvre une antenne directionnelle sur le satellite utilisateur 20 pour éviter les interférences avec les autres satellites INMARSAT. Ainsi qu'il a été précédemment montré, le taux de déplacement Doppler en fonction du temps (taux Doppler) est le plus élevé lorsque le satellite 20 passe le point A, alors que ce débit est le plus faible au bord de couverture C. Selon l'invention, la position la plus appropriée pour la fenêtre de communication est de la positionner au voisinage du déplacement Doppler maximal correspondant au bord de couverture C (instant to), et donc au taux Doppler le plus faible. Une autre caractéristique de cette région de l'orbite du satellite utilisateur 20 est que l'angle d'approche entre le satellite 20 et le satellite 101 présente le plus faible taux de variation. Ceci présente un intérêt si l'on considère le fonctionnement avec une antenne fixe à gain moyen pour maximiser le temps pendant lequel le satellite INMARSAT 101 se trouve en vue du faisceau de l'antenne. La figure 4 illustre une configuration qui correspond à un tel scénario. A titre d'exemple, on a considéré une fréquence de déplacement Doppler comprise entre 2,5 kHz, à savoir une valeur qui est compatible avec les performances des terminaux aérospatiaux. Les fréquences centrales des signaux Tx et Rx sont décalées d'une valeur égale à la valeur Doppler maximale, moins 2,5 kHz. Dans cette gamme, les effets Doppler résiduels sont compensés par les algorithmes connus normalement utilisés dans les terminaux AFRO. Dans la figure 4, on désigne par E1 (instant t1) le point le plus proche correspondant à la valeur limite acceptable du décalage Doppler (angle al), et par E2 (instant t2) le point le plus éloigné sur l'orbite correspondant à l'autre valeur limite du décalage Doppler (angle a2). Le point E2 est susceptible de se situer au-delà du point d'éclipse F. Dans le cas le plus défavorable (altitude de 300 km, inclinaison de 98 ), un temps de communication de 11,2 mn est obtenu, ce qui correspond à une proportion de 12,4% de l'orbite. La plage d'angle orbital pour laquelle le satellite INMARSAT est visible par le satellite utilisateur est consicmée dans le tableau ci-dessous Inclinaison % de du satellite al a2 a, Da l'orbite 20 1) Altitude 300 km 0 53,1 110,9 98,5 45,4 12,6 28,5 53,3 110,8 98,5 45,2 12,6 51,6 53,4 110,6 98,5 45,1 12,5 98 53,9 110,1 98,5 44,6 12,4 2) Altitude 800 km 0 51,9 111 108,6 56,7 15,8 28,5 52 110,9 108,6 56,6 15,7 51,6 52,3 110,6 108,6 56,3 15,6 98 52,8 110,9 108,6 55,8 15,5 = angle d'éclipse = variation angulaire correspondant à la fenêtre de communication Dans les conditions ci-dessus, l'angle d'approche entre le satellite 20 et le satellite 101 varie entre -27,3 et +29,6 , ce qui fait qu'une antenne fixe aurait besoin d'une largeur de faisceau >_60 . On peut utiliser une antenne à faible gain de type AERO-I qui présente un gain de 6 dBi et une largeur de faisceau à demi-puissance de 90 Dans l'exemple ci-dessus, le déplacement Doppler a été arbitrairement limité à 2,5 kHz. En relâchant cette contrainte, il serait possible d'augmenter le temps de contact entre le satellite 20 et les satellites INMARSAT, mais ceci impliquerait la mise en #uvre de bandes passantes plus larges et donc un plus faible gain d'antenne conduisant à une réduction du débit de données pouvant être transmises. Le durcissement de cette contrainte aurait l'effet inverse, c'est-à-dire de réduire les temps de contact, mais permettrait en contrepartie d'utiliser des antennes à gain plus élevé avec des bandes passantes plus étroites et des taux de transfert de données plus élevés. Le temps de contact total pour chaque orbite parcouru par le satellite utilisateur 20 pourrait être augmenté de la manière suivante - il serait tout d'abord possible d'opérer avec plus d'un satellite INMARSAT. Le déplacement Doppler maximum est une fonction de la séparation angulaire entre le plan orbital du satellite 20 et le satellite INMARSAT. Ceci impliquerait cependant de sélectionner des fréquences de transmission différentes pour chaque communication avec un satellite INMARSAT différent. - le temps de contact pourrait être doublé en utilisant pour le satellite 20 deux antennes fixes dont l'une pointe vers l'avant et l'autre vers l'arrière. Dans ce cas, des fréquences de transmission différentes devraient être affectées à chacune de ces antennes. - une combinaison d'opérations avec des antennes multiples et des satellites multiples serait également susceptible d'augmenter le temps de communication. En liaison avec la figure 5, un scénario reposant sur la compensation de décalage Doppler va' maintenant être décrit. La largeur de bande qui est requise pour transmettre un signal de télémétrie à 4,8 kbits/seconde est 10 kHz, en supposant une modulation de type BPSK et un encodage convolutionnel à demi-débit, à savoir approximativement 5 kHz pour les données du signal proprement dit et 5 kHz pour prendre en compte le déplacement Doppler. Si l'on compense ce déplacement Doppler, il apparaît que pour obtenir un débit de données de 4,8 kbits/s, la largeur de bande peut être diminuée de moitié, à 5 kHz. Une compensation Doppler est actuellement mise dans un oeuvre dans le terminal Aéro INMARSAT jusqu'à des valeurs de 2 kHz. Ceci est mis en ceuvre en utilisant l'attitude et la position du satellite pour pré-ajuster la fréquence de transmission de telle sorte qu'elle parvienne au satellite INMARSAT à la fréquence correcte et en décalant la fréquence de réception pour permettre l'acquisition des signaux entrants. Une telle technique peut être appliquée au système selon l'invention pour réaliser une compensation de déplacement Doppler en programmant la fréquence d'acquisition du terminal du satellite 20 en boucle ouverte de telle sorte qu'elle suive la porteuse reçue à sa fréquence décalée dû à l'effet Doppler. Pour la liaison de retour (télémétrie), le terminal du satellite 20 décale sa fréquence de transmission de telle sorte qu'elle soit reçue par le satellite INMARSAT à la fréquence de canal désiré. De manière à permettre le calcul des fréquences de décalage nécessaire à l'obtention de la compensation Doppler, il y a besoin de connaître les paramètres orbitaux des satellites INMARSAT et du satellite utilisateur 20. Ces paramètres peuvent être pré-chargés et mis à jour régulièrement à bord du satellite utilisateur 20. L'utilisation d'un système GPS embarqué pourrait être également envisagée, car elle permettrait de fournir au satellite utilisateur de l'information nécessaire à la détermination de la compensation du décalage Doppler à implémenter. Avec la compensation de l'effet Doppler, il a été pris en compte les possibilités de communication à partir d'une antenne fixe pointée vers le haut. Cette configuration offre l'avantage de fonctionner en utilisant le mode dit "Global" du système INMARSAT en bénéficiant de la couverture planétaire de ce système. Cette configuration est représentée à la figure 5. Le temps de contact maximal qui peut être obtenu avec un seul satellite INMARSAT pour un satellite utilisateur 20 dont le plan coïncide avec la longitude du satellite INMARSAT, est indiqué au tableau ci-dessous. Altitude Demi-angle Proportion Demi-angle Proportion du de de de de satellite couverture l'orbite couverture l'orbite 20 (AFRO I) couverte (AFRO H) couverte (km) (AFRO I) (AFRO H) 300 38,6 21,4% 16 8,9% 500 38,4 21,3% 16 0 8,9% 700 38,2 21,2% 15,9 8,8% 800 38 0 21, 1 % 15,8 0 8,8% L'antenne AFRO I présente une largeur de faisceau à demi puissance égale à 90 , et cette valeur est de 38 pour l'antenne AERO-H. Avec l'antenne AERO-I, le débit maximal de la liaison ascendante (commande) est compris entre 2,19 et 4,79 kb/s et celui de la ligne de retour (télémétrie) est compris entre 5,06 et 8,76 kb/s. Avec l'antenne AERO-H, le débit maximal de la ligne ascendante est compris entre 8,7 et 19,6 kb/s et celui de la liaison de retour est compris entre 19,7 et 33,9 kb/s. La compensation du décalage Doppler du satellite utilisateur permet non seulement d'utiliser plus efficacement le spectre disponible, mais facilite également l'utilisation du mode dit "Global" du système INMARSAT. Ceci augmente de manière significative les performances du système et en particulier de plus hauts débits peuvent être obtenus. Dans le cas de ce scénario, le temps de contact peut être augmenter de la manière suivante - il est possible de fonctionner à l'aide de plus d'un satellite INMARSAT, - le temps de contact avec un seul satellite INMARSAT peut être augmenté en utilisant deux antennes fixes, chacune étant décalée vers le haut de la moitié de leur largeur de faisceau, avec une commutation entre ces deux antennes REVENDICATIONS 1) Procédé de communication entre une station terrestre et un satellite non-géostationnaire par l'intermédiaire d'au moins un satellite de fourniture de service, caractérisé en ce que le satellite non- géostationnaire (20) présente un terminal de communication embarqué (21) apte à communiquer avec ledit satellite de fourniture de service (101), et en ce qu'il met en ceuvre une mise en communication entre le satellite non-géostationnaire et un dit satellite de fourniture de service pendant des fenêtres temporelles (t1, t2) où le déplacement Doppler a une valeur maximale ou est voisin de sa valeur maximale. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit satellite de fourniture de service (101) est géostationnaire. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit satellite de fourniture de service (101) fait partie d'un système de satellites géostationnaires. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit satellite de fourniture de service pour mobiles (101) est non-géostationnaire. 5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit satellite de fourniture de service pour mobiles (10l) fait partie d'un système de satellites non-géostationnaires. 6) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit satellite non- géostationnaire (20) est sur une orbite basse (LEO) ou moyenne (MEO). 7) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque fenêtre temporelle (t1, t2) encadre un instant (ta) où le déplacement Doppler a ladite valeur maximale. 8) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il met en #uvre, sur le terminal de communication embarqué (21), une détermination du déplacement Doppler et leur compensation de celui-ci. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le terminal de communication (21) présente une voie de retour vers le satellite de fourniture de service qui assure un décalage de fréquence compensant l'effet Doppler. 10) Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le terminal de communication embarqué (21) sur le satellite non- géostationnaire (20) est couplé à au moins une antenne fixe (ANT) pointée pour communiquer avec ledit satellite de fourniture de service (101). 11) Procédé selon une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le terminal de communication embarqué (21) sur le satellite non-géostationnaire (20) est couplé à une antenne orientable.