Brevet FR2819657A1 — publié le 20020719

Procédé et dispositif de localisation d'émetteur terrestre à partir d'un satellite L'invention porte sur les dispositifs de localisation d'émetteurs et en particulier sur les procédés de localisation d'émetteurs terrestres par des satellites. Il est connu du document US-A- 3 949 400 d'utiliser un satellite géostationnaire et une base au sol pour déterminer la position d'une balise dans une zone prédéterminée. La balise émet un signal particulier permettant son identification. Le satellite comporte un faisceau d'antenne balayant la zone prévue selon un cycle prédéterminé. Le faisceau d'antenne détecte des signaux seulement suivant une direction extrêmement précise. Lorsque le faisceau d'antenne est orienté en direction de la balise, le satellite intercepte le signal de la balise et détermine ainsi la position de cette balise en fonction de la position du satellite et du placement du faisceau d'antenne dans son cycle de balayage. Il renvoie la position de la balise à une station terrestre. Il est en outre connu du document JP-08263853 d'utiliser une unité de commande pour orienter une antenne vers un satellite de communication émetteur. L'unité de commande calcule l'amplitude des mouvements à imposer à l'antenne pour la placer en face du satellite souhaité et commande les mouvements de l'antenne. L'orientation de l'antenne est réalisée plus précisément en déplaçant l'antenne de façon à déterminer la position pour laquelle le signal reçu en provenance du satellite émetteur est le plus élevé. Cependant, ces dispositifs et leurs procédés de fonctionnement ne permettent de localiser que des émetteurs dont le signal émis est spécifiquement prévu pour être détecté. Il est par ailleurs connu du document Solution and Performance Analysis of Geolocation by TDOA.IEEE Transactions on Aerospace and Electric Systems, Vol.29 N 4, Oct 1993, d'utiliser plusieurs instruments non colocalisés, suffisamment espacés pour permettre la réalisation de mesures de différences de temps de trajet et/ou de différences de dopplers. Les documents Principes de traitement des signaux radar et sonar, De Le Chevalier, éditions Masson, et Méthodes à haute résolution, de S.Marcos, éditions Hermès, décrivent des méthodes relatives à la localisation d'émetteurs par des systèmes antennaires. Ce type de dispositif constitue la base de la mise en oeuvre de traitements par goniométrie d'amplitude, goniométrie de phase ou par méthode dite à "haute résolution", permettant la localisation d'émetteurs à partir de mesures effectuées sur des réseaux d'antennes. Le document Principes de traitement des signaux radar et sonar, De Le Chevalier, éditions Masson décrit par ailleurs un procédé de localisation d'émetteur en utilisant les propriétés d'une antenne directive; la localisation de l'émetteur est obtenue en déterminant l'orientation de l'antenne pour laquelle l'énergie reçue par cette antenne est maximale. De tels dispositifs ne permettent pas la détection d'émetteurs non autorisés ou d'émetteurs de brouillage, susceptibles par exemple de perturber le fonctionnement des systèmes de télécommunication. Ces dispositifs requièrent soit plusieurs satellites disséminés et munis d'une antenne pour localiser un émetteur, soit un satellite présentant plusieurs antennes. Il existe donc un besoin pour une antenne qui résolve un ou plusieurs de ces inconvénients. Dans cette optique, I'invention concerne un procédé de localisation d'un émetteur terrestre par un satellite géostationnaire muni d'une antenne, comprenant des étapes consistant à mesurer sur le satellite, à au moins deux instants différents, trois composantes orthogonales d'un champ électromagnétique émis par l'émetteur terrestre, à calculer au moins deux vecteurs de champ électromagnétique à partir des mesures, à déterminer la direction de propagation du champ électromagnétique à partir des vecteurs déterminés, à localiser l'émetteur à l'intersection d'une droite, colinéaire à la direction de propagation et passant par le satellite, avec la surface de la terre. Selon une variante, la détermination de la direction de propagation du champ électromagnétique est effectuée par identification d'un vecteur pour lequel le carré de la somme des produits scalaires avec les vecteurs de champ électromagnétique déterminés est minimal. Selon une autre variante, la détermination de la direction de propagation du champ électromagnétique s'effectue en déterminant un vecteur, défini par la somme des produits vectoriels entre au moins deux vecteurs de champ électromagnétique calculés. Selon encore une variante, l'étape de calcul comprend la multiplication des composantes de champ mesurées par l'inverse de la fonction de transfert de l'antenne. Selon encore une autre variante, les localisations sont effectuées par au moins deux satellites; le procédé comprend en outre une étape de triangulation des localisations réalisées par les deux satellites. Un autre mode de réalisation de l'invention concerne un procédé de localisation d'un émetteur terrestre émettant un champ électromagnétique polarisé linéairement, par un satellite défilant, comprenant des étapes consistant à mesurer sur le satellite, à au moins deux instants différents, trois composantes orthogonales d'un champ électromagnétique émis par l'émetteur terrestre, à calculer des vecteurs de champ électromagnétique à partir des mesures à déterminer pour chaque mesure un plan contenant la direction de propagation du champ électromagnétique mesuré et le satellite, à partir des vecteurs calculés à localiser l'émetteur à l'intersection de plusieurs cercles, formés par l'intersection des plans avec la surface de la terre. Un autre mode de réalisation de l'invention concerne un procédé de localisation d'un émetteur terrestre émettant un champ électromagnétique polarisé linéairement, par plusieurs satellites, comprenant des étapes consistant à mesurer sur les satellites, à un même instant trois composantes orthogonales d'un champ électromagnétique émis par l'émetteur terrestre, à calculer des vecteurs de champ électromagnétique à partir des mesures, à déterminer pour chaque mesure un plan contenant la direction de propagation du champ électromagnétique mesuré et le satellite, à partir des vecteurs calculés à localiser l'émetteur à l'intersection de plusieurs cercles, formés par l'intersection des plans avec la surface de la terre. Selon une variante, ces procédés comprennent en outre une étape de mesure complémentaire, par mesure à doppler différentiel, par interférométrie ou par goniométrie. Selon encore une variante, ces procédés comprennent en outre une étape de filtrage fréquentiel du champ électromagnétique mesuré. L'invention concerne également un satellite de localisation d'émetteur, comprenant une antenne et des moyens pour mettre en oeuvre les procédés de localisation selon l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit du mode de réalisation de l'invention donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins qui montrent: -figure 1, une représentation schématique d'une antenne de satellite réceptionnant le champ électromagnétique d'un émetteur terrestre; -figure 2, une représentation schématique des positions d'un satellite défilant mettant en oeuvre un deuxième procédé de localisation; L'invention propose de déterminer la localisation d'un émetteur terrestre en mesurant le vecteur champ électromagnétique à différents instants depuis une antenne de satellite. La direction de propagation du champ électromagnétique, et ainsi la localisation de l'émetteur, est déterminée à partir des vecteurs mesurés. Dans l'exemple qui suit, I'antenne réceptionne trois composantes orthogonales de champ électromagnétique mais il suffit selon l'invention de mesurer trois composantes non coplanaires pour reconstituer le champ. La figure 1 présente un émetteur terrestre 1 émettant un champ électromagnétique E dont la direction de propagation est représentée par û. Un satellite 2, placé en orbite de la terre, comprend une antenne 3, susceptible de réceptionner trois composantes orthogonales du champ électromagnétique, polarisé non linéairement au niveau de l'antenne. L'antenne utilisée pour la réception du champ électromagnétique peut présenter trois dipôl61es orthogonaux, susceptibles par exemple de réceptionner en polarisation linéaire trois composantes orthogonales entre elles d'un champ électromagnétique. Il est également possible d'utiliser une antenne susceptible de réceptionner simplement trois composantes de champ électromagnétique non colinéaires, comme décrit précédemment. Les procédés de localisation présentés par la suite étant sensiblement indépendants de la fréquence du champ électromagnétique, ils s'appliquent notamment à une antenne de type large bande, susceptible de réceptionner par exemples plusieurs octaves. On peut par exemple utiliser des antennes monopoles, des antennes cadre, des antennes boucles ou des antennes à base de dipoles. Le champ électromagnétique est représenté par un vecteur situé dans un plan de polarisation. Les oscillations du champ électromagnétique sont à tout instant situées dans ce plan car quelle que soit la polarisation d'un champ électromagnétique émis, le champ électromagnétique est toujours orthogonal à sa direction de propagation. Un procédé de localisation selon un premier mode de réalisation comprend une première étape consistant à effectuer des mesures des trois composantes du champ électromagnétique à différents instants, depuis un satellite géostationnaire. Ainsi, la direction de propagation du champ électromagnétique reçu reste identique pour chaque mesure. A partir de chaque mesure de champ électromagnétique, on détermine des vecteurs de champ électromagnétique instantanés. Ainsi, lorsque la polarisation du champ électromagnétique est non linéaire, les différents vecteurs déterminés sont non colinéaires. Un procédé de localisation comprend la détermination de la direction de propagation du champ électromagnétique, c'est-à- dire la détermination d'un vecteur perpendiculaire à au moins deux vecteurs de champ électromagnétique déterminés par la mesure. Un premier procédé consiste à effectuer n mesures de champ électromagnétique et à déterminer n vecteurs En représentatifs de ces mesures et à déterminer le vecteur unitaire pour lequel la somme des projections de ces n vecteurs est la plus faible. Appelons E le champ électromagnétique émis par l'émetteur. Les coordonnées instantanées de Edans un repère (u71, u2) du plan de polarisation peuvent par exemple se présenter sous la forme: É (El.cos(mot+d),E2. sin(ot+d)). On représente les composantes des vecteurs En dans un repère d'antenne (XYZ). Pour faciliter les calculs, on choisit un repère (X,Y,Z) tel que u 1 soit placé dans le plan (X,Y). Les composantes de É dans le repère (X,Y, Z)se présentent alors sous la forme: Ex1 E.cos(qt5+).(-sin O) + E2.sin(ot + 0).(-sin ú.COS) É= Ey =El.cos(cot + b).(-cosO)+ E2.sin(cot +).(sins. sinO) Ez E2.sin(cot +).(-cos 0) j La direction de propagation étant orthogonale au champ de polarisation, la relation suivante doit être vérifiée à tout instant: E. =0 Ainsi, en pratique, il suffit de déterminer le vecteur i pour lequel la variable J, définie comme suit, est minimale: (le vecteur est aussi défini par les angles azimut 0 et élévation a dans le repère d'antenne) J(O,6s) = ( i.u(O, i=1 On peut alors déterminer la position de l'émetteur à partir de la position du satellite et du vecteur de propagation u déterminé. Il suffit pour cela de définir un point d'intersection entre une droite passant par l'antenne et de même direction que le vecteur, î et la surface terrestre. On détermine en général deux points à la surface terrestre de cette façon. L'émetteur correspond à celui des points qui se trouve en vis- à-vis de l'antenne. Selon un autre procédé, il est également possible de déterminer un vecteur û en effectuant le produit vectoriel des différents vecteurs En entre eux. On peut par exemple déterminer le vecteur u par la formule suivante: i,.}=1 1 5 En éliminant les termes Ei A Ej qui ne sont pas orientés vers la terre. L'antenne ne mesure en général pas le champ électromagnétique réel mais un champ électromagnétique qui fait intervenir la fonction de transfert de l'antenne. Ainsi, en particulier dans le cas o l'antenne n'est pas omnidirectionnelle, il est souhaitable de faire intervenir la fonction de transfert de l'antenne dans la détermination des vecteurs En. un calculateur reçoit n vecteurs E'n, de champ électromagnétique instantané, mesurés par l'antenne. Le calculateur détermine alors n vecteurs En, en tenant compte de la fonction de transfert de l'antenne. Les vecteurs En déterminés se rapprochent ainsi des vecteurs du champ électromagnétique réel. En désignant la matrice correspondant à la fonction de transfert de l'antenne par G, les vecteurs Én peuvent ainsi être formés en utilisant la formule suivante: En = G- (O, s).È' n Avec Gxx(O,) Gxy(O,s) Gxz(O, s)1 G= Gxy(O, s) Gyy(O,ú) Gyz(O, s) LGxz(O,ú) Gyz(O, s) Gzz(O, s)j Selon un perfectionnement de ces procédés, on utilise deux satellites espacés effectuant des mesures simultanées. On effectue ensuite une triangulation des localisations des satellites, au sens du maximum de vraisemblance, pour obtenir une localisation de l'émetteur avec une précision améliorée. Cependant dans certains cas, le champ électromagnétique, émis linéairement par un émetteur, parvient à l'antenne avec une polarisation linéaire après avoir traversé l'atmosphère. On va maintenant exposer d'autres modes de réalisation permettent de localiser un émetteur pour ce type de polarisation. Ainsi, un deuxième mode de réalisation de l'invention concerne un procédé permettant de localiser un émetteur depuis une antenne de satellite défilant. En effet, comme cela est représenté à la figure 2, selon les intervalles de temps définis entre les mesures, un tel satellite peut s'être déplacé considérablement par rapport à l'émetteur qu'il doit localiser. Ainsi, la direction de propagation du champ électromagnétique reçu par l'antenne du satellite aura varié entre les mesures. La mesure d'un vecteur champ électromagnétique permet de déterminer un plan perpendiculaire à ce vecteur, dans lequel la direction de propagation est contenue. Ainsi, on peut définir l'intersection d'un tel plan avec la surface terrestre. Cette intersection a globalement la forme d'un cercle, sur lequel est situé l'émetteur. En effectuant deux mesures depuis deux positions différentes à des instants différents, on peut déterminer la position de l'émetteur en définissant l'intersection de deux cercles ainsi formés sur la surface terrestre. Un troisième mode de réalisation de l'invention concerne un procédé permet tant de localiser l'émetteur à partir de deux satellites distants. Les deux satellites effectuent chacun une mesure non simultanée pour former un vecteur de champ électromagnétique. A partir de chaque vecteur, on peut déterminer un plan qui lui est perpendiculaire. Comme dans le procédé précédant, on définit des cercles sur la surface terrestre. L'émetteur se trouve à une intersection de ces cercles. Selon une variante de ces procédés, on effectue simultanément des mesures complémentaires, telles que des mesures à doppler différentiel, par interférométrie ou par goniométrie. On peut ainsi obtenir une localisation plus précise de l'émetteur. Selon une autre variante de ces procédés, on effectue une discrimination fréquentielle du champ électromagnétique reçu. On peut, par exemple, effectuer une transformation de Fourier du champ électromagnétique reçu. On peut également effectuer un filtrage et un pré traitement de séparation fréquentielle du champ électromagnétique reçu, pour limiter les mesures à une bande de fréquence déterminée. On peut ainsi limiter le traitement des composantes du champ électromagnétique dans une cellule de résolution fréquentielle. Une telle limitation permet de distinguer des émetteurs de fréquences différentes. On peut ainsi localiser des émetteurs indépendamment de leur fréquence d'émission. Une telle limitation permet également de distinguer des émetteurs de même fréquence ayant des localisations terrestres différentes conduisant à des dopplers différents. REVENDICATIONS 1.- Procédé de localisation d'un émetteur (1) terrestre par un satellite (2) géostationnaire muni d'une antenne (3), comprenant des étapes consistant à: -mesurer sur le satellite (2), à au moins deux instants différents, trois composantes orthogonales d'un champ électromagnétique émis par l'émetteur terrestre (1); -calculer au moins deux vecteurs de champ électromagnétique à partir des mesures; -déterminer la direction de propagation du champ électromagnétique à partir des vecteurs déterminés; localiser l'émetteur (1) à l'intersection d'une droite, colinéaire à la direction de propagation et passant par le satellite (2), avec la surface de la terre. 2.- Le procédé de localisation de la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination de la direction de propagation du champ électromagnétique est effectuée par identification d'un vecteur pour lequel le carré de la somme des produits scalaires avec les vecteurs de champ électromagnétique déterminés est minimal. 3.- Le procédé de localisation de la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination de la direction de propagation du champ électromagnétique s'effectue en déterminant un vecteur, défini par la somme des produits vectoriels entre au moins deux vecteurs de champ électromagnétique calculés. 4. Le procédé de localisation de l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de calcul comprend la multiplication des composantes de champ mesurées par l'inverse de la fonction de transfert de l'antenne (3). 5.- Le procédé de l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les localisations sont effectuées par au moins deux satellites (2), le procédé comprenant en outre une étape de triangulation des localisations réalisées par les deux satellites. 6.- Procédé de localisation d'un émetteur terrestre (1) émettant un champ électromagnétique polarisé linéairement, par un satellite défilant (2), comprenant des étapes consistant à: -mesurer sur le satellite, à au moins deux instants différents, trois composantes orthogonales d'un champ électromagnétique émis par l'émetteur terrestre; -calculer des vecteurs de champ électromagnétique à partir des mesures; -déterminer pour chaque mesure un plan contenant la direction de propagation du champ électromagnétique mesuré et le satellite, à partir des vecteurs calculés; -localiser l'émetteur à l'intersection de plusieurs cercles, formés par l'intersection des plans avec la surface de la terre. 7.- Procédé de localisation d'un émetteur terrestre (1) émettant un champ électromagnétique polarisé linéairement, par plusieurs satellites (2), comprenant des étapes consistant à: -mesurer sur les satellites, à un même instant trois composantes orthogonales d'un champ électromagnétique émis par l'émetteur terrestre; -calculer des vecteurs de champ électromagnétique à partir des mesures; -déterminer pour chaque mesure un plan contenant la direction de propagation du champ électromagnétique mesuré et le satellite, à partir des vecteurs calculés; -localiser l'émetteur à l'intersection de plusieurs cercles, formés par l'intersection des plans avec la surface de la terre. 8.- Le procédé de l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de mesure complémentaire, par mesure à doppler différentiel, par interférométrie ou par goniométrie. 9- Le procédé de l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de filtrage fréquentiel du champ électromagnétique mesuré. 1 0.- Satellite (2) de localisation d'émetteur, comprenant une antenne (3) et des moyens pour mettre en oeuvre les procédés de l'une des revendications 1 à 9.