Brevet FR2858061A1 — publié le 20050128

La présente invention concerne un procédé permettant de détecter et de localiser des engins mobiles (aéronefs par exemple, mais aussi bâtiments de surface, submersibles, véhicules, etc. ), en exploitant notamment le rayonnement produit par des émetteurs présents dans l'environnement pour d'autres applications (appelés dans la suite émetteurs d'opportunité). Elle s'applique avec tout émetteur de communication ou tout système de transmission utilisant des formes d'onde présentant un protocole de synchronisation connu sur une ou plusieurs des fréquences porteuses exploitées par l'émetteur. Elle est notamment utilisée avec des systèmes comportant des émetteurs numériques dédiés à la vidéo diffusion (exemple DVB-T ou Diffusion vidéo numérique terrestre ou en anglo-saxon Digital Video Broadcasting-Terrestrial) ou à l'audio diffusion (DAB ou Diffusion audio numérique ou en anglo-saxon Digital Audio Broadcasting) ou encore les émetteurs d'infrastructure des réseaux cellulaires, (PMR ou radio mobile privé ou en anglo-saxon Private Mobile Radio). Les solutions actuellement existantes ou prévues pour localiser les aéronefs sont en majorité basées sur des principes généraux des radars, des intercepteurs de radar ou des IFF (Identification Ami-Ennemi ou en anglo-saxon Identification Friend or Foe) dans le domaine électromagnétique, des sonars et des intercepteurs de sonar dans le domaine acoustique. Génération contrôlée par un émetteur prévu à cet effet La solution de type radar ou sonar utilise une onde destinée à se réfléchir sur les obstacles (aéronef, etc. ) et exploite le trajet réfléchi par un récepteur collaborant avec l'émetteur : - soit collocalisé avec l'émetteur, sonar actif ou radar mono statique, - soit délocalisé par rapport à l'émetteur : * sonar actif ou radar bi-statique - un émetteur et un récepteur * radar multistatique - plusieurs émetteurs et un ou plusieurs récepteurs. Ces solutions présentent néanmoins l'inconvénient d'utiliser des émetteurs spécifiques collaborant étroitement avec le système de réception du signal induit par la présence des aéronefs. De tels émetteurs sont indiscrets, souvent onéreux et encombrants. Ils sont de plus généralement dédiés à certaines applications particulières. Leur nombre est faible, leur encombrement souvent important et leur disponibilité parfois réduite. Exploitation du rayonnement propre produit D'autres solutions exploitent le rayonnement propre produit : # par un émetteur spécifique à l'engin mobile. C'est le principe bien connu des IFF et des systèmes utilisés en contrôle aérien pour identifier et suivre les avions. Ce principe est aussi utilisé dans les intercepteurs de radar ou des intercepteurs de sonar. # par l'engin mobile lui même (exemples : sonar passif, détection d'anomalie magnétique ou électromagnétique). Ce rayonnement peut provenir directement de l'engin mobile, résulter d'un phénomène de masquage d'une source de rayonnement (ombre), ou 'plus généralement provenir d'une modification temporaire et locale du champ électromagnétique ou acoustique/sismique ambiant :principe de la détection d'anomalie appliqué par exemple pour activer des autodirecteurs de mines pour certains capteurs de surveillance, etc.. Ces solutions présentent les inconvénients suivants : # elles sont passives, sans aucune collaboration avec l'émetteur, # elles ne fonctionnent qu'en cas d'émissions effectivement détectables par un système de réception, ce qui pose des problèmes de "rendez-vous", induit des aléas, peut nécessiter un apprentissage, etc. De plus, ces solutions produisent une mesure brute de nature principalement angulaire. La distance n'est obtenue qu'après un filtre de poursuite sous certaines conditions de mise en #uvre généralement restrictives. Exploitation du rayonnement propre émis par des émetteurs d'opportunité et réfléchi par les cibles De tels procédés sont mis en #uvre pour exploiter la présence fortuite d'émetteurs radar ou autres, à des fins de détection des cibles présentes dans l'environnement par des récepteurs prévus à cet effet. Ils reposent sur des mesures classiques de différences de temps d'arrivée, TDOA (différence de temps d'arrivée ou en anglo-saxon Time Différence of Arrivai) ou des déterminations d'angle DOA (différence d'arrivée ou anglo-saxon Direction Of Arrivai), et parfois sur des techniques de soustraction Doppler. Ces solutions présentent actuellement les inconvénients suivants : - les systèmes envisagés ou existants se basent essentiellement sur les propriétés d'enveloppe et les propriétés Doppler des ondes émises (souvent des ondes multi porteuses). les systèmes envisagés ou existants nécessitent généralement la réception simultanée du trajet direct et du trajet réfléchi cible pour déterminer une différence entre les instants d'arrivée. - aucun de ces systèmes ne possède à ce jour de capacités performantes de séparation des émetteurs d'opportunités présents. Pour cette raison : - les émetteurs d'opportunités envisagés dans de nombreux systèmes existants sont en nombre très réduit (généralement un seul par bande de traitement) ce qui a pour effet de limiter la précision de localisation produite ou d'allonger considérablement le délai nécessaire à la production d'une localisation de bonne qualité. - les systèmes de réception existants capables aujourd'hui de traiter des émetteurs d'opportunité sont difficilement intégrables dans des réseaux relativement denses d'émetteurs partageant la même ressource en fréquence tels que des réseaux destinés à la radio-diffusion (DVB-T, DAB) ou aux transmissions cellulaires (GSM ou système mobile global ou en anglo-saxon Global System Mobile, UMTS ou système de télécommunication mobile universel ou en anglo-saxon Universal Mobile Télécommunication System), alors que la densité d'émetteurs est un facteur notable de performances (multiplicité des mesures et des configurations géométriques). Les systèmes actuels ne permettent par de traiter efficacement des situations multi émissions complexes et encore moins des situations d'interférences entre les signaux reçus. L'idée de l'invention réside notamment dans l'exploitation de la présence d'émetteurs de certains réseaux de radio et télédiffusion tels que les réseaux DVB-T, DAB ou les émetteurs d'infrastructure des réseaux cellulaires, PMR ou autres. Elle utilise notamment les opportunités de synchronisation temporelle des signaux, aainsi que des procédés performants de séparation de sources L'invention exploite notamment le protocole et les séquences de synchronisation connus dans certains réseaux de diffusion audionumérique ou vidéo numérique ou encore dans les réseaux cellulaires pour séparer les émetteurs et les signaux, déterminer directement les instants et les directions d'arrivée des différents trajets de propagation et la réponse impulsionnelle du filtre de propagation. L'invention concerne un procédé pour détecter et/ou localiser un engin mobile dans un système de réception exploitant des émetteurs d'opportunité dont le signal comprend des éléments permettant la synchronisation du récepteur. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : a) détecter certaines séquences discriminantes du signal utile, b) séparer chaque émission présente sur les fréquences porteuses scrutées par le ou les récepteurs par filtrage spatio-temporel des signaux présents sous chaque fréquence porteuse, c) identifier les émetteurs Ei correspondant aux signaux reçus, d) déterminer la réponse impulsionnelle du canal de propagation pour chaque émetteur Ei et pour chaque détection réalisée sur cet émetteur, g) mesurer l'instant d'arrivée du trajet réfléchi par l'engin mobile puis son retard par rapport à l'instant d'émission de l'émetteur, h) déduire la position de l'engin mobile à l'intersection des ellipsoïdes définis par les foyers constitués des émetteurs Ei reçus et du ou des récepteurs Rj. Le procédé comporte par exemple les étapes suivantes : e) séparer dans la réponse impulsionnelle la contribution du trajet direct émetteurrécepteur de la contribution du trajet réfléchi mobile; f) mesurer l'instant d'arrivée du trajet direct puis son retard par rapport à l'instant d'émission de l'émetteur; g) mesurer l'instant d'arrivée du trajet réfléchi par l'engin mobile puis son retard ar rapport au signal direct de l'émetteur. Le procédé peut aussi comporter : i) une étape de mesure des angles d'arrivée du signal réfléchi mobile au niveau des récepteurs Rj, j) une étape de déduction de la position du mobile à l'intersection des ellipsoïdes précédemment définies et de la droite définie par les angles d'arrivée et le lieu du récepteur Rj . Le procédé selon l'invention offre notamment les avantages suivants : # des gains importants de traitement, # une capacité de séparation des différents émetteurs partageant une même porteuse ou fréquence porteuse, ce qui permet à la fois d'éviter la gêne due aux interférences et d'appliquer simultanément le procédé sur plusieurs émetteurs, # la possibilité d'utiliser de manière passive (sans modification de l'environnement radioélectrique) et discrète les émetteurs présents pour des applications classiques de radio ou télédiffusion numérique (DAB, DVB) et plus généralement tout réseau d'émetteurs de forme d'onde connue (soit par la normalisation, soit par analyse préalable) possédant certaines propriétés de synchronisation temporelle destinées à l'accrochage des récepteurs (émission de mots de synchronisation, séquences d'apprentissages, codes pilotes, etc..) tels que des réseaux d'infrastructure cellulaire, des réseaux PMR, des réseaux satellite, etc.. # produire directement une localisation complète d'un engin mobile en utilisant des émissions permanentes aux caractéristiques prévisibles permettant des mesures multiples et fiables, # construire des réseaux de capteurs à grande couverture sans nécessité de recevoir le trajet direct de l'émetteur sur le récepteur traitant le trajet réfléchi sur l'engin mobile provenant de ce même émetteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description non limitative qui suit annexée des figures qui représentent : # la figure 1 un exemple de configuration géométrique d'un système émetteur- récepteur - aéronef à localiser, # la figure 2 l'exploitation des signaux reçus sur le récepteur, # la figure 3 un exemple de configuration exploitant uniquement le signal réfléchi par l'aéronef mobile, # la figure 4 un exemple de principe de détection utilisant une fenêtre temporelle glissante, # la figure 5 un exemple de traitement de synchronisation et de séparation spatiale des sources, # la figure 6 un exemple d'estimation de canal mono voie et de calcul de puissance, # la figure 7 les caractéristiques des signaux GSM, # la figure 8 les caractéristiques des émetteurs DVB-T. Afin de mieux faire comprendre le principe mis en #uvre par l'invention, l'exemple d'application qui suit est donné à titre illustratif et nullement limitatif pour localiser un aéronef dans un système de réception basé sur un réseau d'antennes et une architecture multivoies pour la réception et la numérisation des signaux. Les signaux sont de type numériques et comportent une séquence permettant la synchronisation du récepteur. Le système de réception comporte par exemple plusieurs capteurs multivoies et un ou plusieurs processeurs adaptés à exécuter des techniques de séparation spatio-temporelles. Un processeur est notamment adapté pour réaliser les opérations suivantes : se synchroniser sur le signal reçu et sur les différents trajets de propagation provenant de l'émetteur :le signal direct s'il est reçu, et/ou le signal réfléchi par l'aéronef. - mesurer une réponse impulsionnelle du canal de propagation, séparer les différents trajets et en mesurer leurs instants d'arrivée, avec une précision dépendant des caractéristiques du signal traité et de la durée d'intégration du traitement de synchronisation, mesurer éventuellement les angles d'arrivée des différents trajets de propagation par des techniques de goniométrie dédiées prolongeant directement la synchronisation, séparer les différents émetteurs partageant une ressource radioélectrique commune, afin : # de réaliser des mesures individualisées sur chaque émetteur présent dans la bande d'analyse, # d'exploiter la multiplicité des émetteurs pour une détection multi statique à "grand nombre d'émetteurs". La figure 1 schématise un exemple de mise en #uvre du procédé selon l'invention, pour un dispositif comportant au moins un émetteur Ei, un récepteur Rj et un aéronef C, pour des signaux numériques comprenant des séquences discriminantes permettant la synchronisation. ('(3i,j est l'angle bistatique 'PleiC-YIrj,C ; YBili la bissectrice (I'IeiC+Irj,C)/2 ; TE,,c la durée trajet émetteur Ei cible ; DE,,c la distance trajet émetteur cible ; c,Rj la durée trajet cible récepteur Rj, Dc,Rj la distance trajet cible récepteur Rj ;#E1,RJ la durée trajet émetteur Ei récepteur Rj, DE1,RJ la distance trajet émetteur Ei récepteur Rj). La procédé comporte par exemple les étapes suivantes : a) détecter certaines séquences du signal de radiodiffusion ou de télédiffusion numérique, effectuer des mesures de synchronisation sur les signaux provenant des émetteurs reçus. Les séquences utilisées sont les séquences permettant la synchronisation des récepteurs. La détection peut se faire par filtrage adapté connu de l'Homme du métier; b) séparer chaque émission présente sur les fréquences porteuses scrutées par le ou les récepteurs, par exemple par filtrage différentiel des différentes porteuses, puis par filtrage spatio-temporel des signaux présents sur chaque porteuse; c) identifier l'émetteur Ei correspondant. L'identification est par exemple effectuée par décodage de l'identité de l'émetteur lorsqu'elle est codée dans la signalisation, par la mesure de l'instant d'arrivée et des récurrences entre instants d'arrivée, par détermination des caractéristiques de couleur et de synchronisation, ou tout autre procédé connu de l'Homme du métier; d) déterminer la réponse impulsionnelle Hi du canal de propagation pour chaque émetteur Ei et pour chaque détection réalisée sur cet émetteur (la détection de l'émission est faite par le récepteur); e) séparer dans cette réponse impulsionnelle Hi la contribution éventuelle du trajet direct émetteur-récepteur (Ei-Rj) de la contribution du trajet réfléchi par l'aéronef (Ei-C- Rj). On utilise par exemple les propriétés statistiques et les propriétés Doppler du signal réfléchi par l'aéronef, qui, compte tenu de la propagation sol/air/sol et du mouvement de l'aéronef possède les propriétés suivantes : - le trajet Ei-C-Rj subit moins de fluctuations que le signal direct ou les échos de sol, ce qui facilite les procédés d'intégration et d'extraction, - le trajet Ei-C-Rj est affecté d'un décalage Doppler que ne subit pas le trajet direct ni les échos de sol, ce qui permet de mettre en #uvre des techniques de soustraction Doppler connue de l'homme du métier f) mesurer l'instant d'arrivée tE1-RJ du trajet réfléchi direct (EiRj), s'il est reçu, puis son retard #E1,RJ par rapport à l'instant d'émission tE1 de l'émetteur Ei s'il est connu ou préalablement relevé, g) mesurer l'instant d'arrivée tE,-c-Rj du trajet réfléchi aéronef (E,-C-R,), puis son retard #E1,C,RJ par rapport au signal direct de l'émetteur Ei, si ce dernier est reçu, ou bien son retard cEi,C,Rj - CEI,Rj par rapport à l'instant d'émission tEl du signal par l'émetteur lorsque cet instant est connu ou préalablement relevé, h) en déduire la position de l'aéronef à l'intersection des ellipsoïdes définis par les foyers constitués des émetteurs E, reçus et du ou des récepteurs Rj et par les relations suivantes : pour i et j d(E,,M)+ d(R,,M)-d(E,,Rj) = c. (T E CR" - CEI R) (1) avec c la célérité de la lumière, 1 E 1, C , R - J 'TE 1, RIe J retard entre le trajet E-C-Rj et le trajet E,-Rj correspondant à l'émetteur E, et au récepteur Rj i) mesurer éventuellement les angles d'arrivée du signal réfléchi cible (azimut #j, site #j) au niveau des récepteurs Rj, j) déduire la position de l'aéronef (engin mobile) C à l'intersection des ellipsoïdes précédemment définies et de la droite définie par les angles d'arrivée #j et Aj du signal réfléchi cible. La réception du trajet direct permet notamment : de renforcer le procédé lorsque la synchronisation des émetteurs est déjà connue : deuxième détermination du paramètre #E1,Rj; ou - de s'affranchir de la connaissance de synchronisation des émetteurs : temporel i gi c Ri ' 'TE,Rj ; est alors mesuré directement après identification du trajet direct et du trajet réfléchi. Les émetteurs sont, par exemple, des émetteurs de radiodiffusion et de télédiffusion numériques ou tout autre émetteur numérique de forte puissance présentant des séquences discriminantes connues a priori ou extractibles dans le signal au moyen d'une analyse préalable. D'autres émetteurs utilisables sont par exemple, des émetteurs radioélectriques numériques dont les caractéristiques sont connues par normalisation ou par analyse préalable. Ils possèdent certaines propriétés de synchronisation. Leurs coordonnées (position) sont par exemple connues antérieurement, ou bien relevées postérieurement à la mise en #uvre du procédé selon l'invention. La figure 2 illustre, à titre non limitatif, l'extraction du signal réfléchi de l'aéronef en cas de réception du trajet direct émanant de l'émetteur Ei avec des multi trajets liés à la propagation sol/sol et de réception d'un écho provenant de l'aéronef sur le même récepteur. Pour réaliser l'étape a) de synchronisation, le récepteur utilise le signal correspondant au trajet direct. Les pics de la figure 2 sont obtenus en sortie du critère de synchronisation et du filtre d'estimation de canal de propagation utilisés dans le traitement de séparation de source. De manière schématique, la courbe de la figure 2 s'apparente à la sortie d'une intercorrélation (multivoies) entre le signal reçu en entrée et une réplique de la séquence discriminante attendue dans le signal reçu. Le procédé d'obtention de cette courbe est détaillé plus précisément sur des exemples illustratifs dans la suite. Dans un diagramme d'axe des abscisses temporel, le premier groupe (I) de pics correspond au signal direct de l'émetteur Ei avec trajets multiples propagation sol/sol. TEiRj correspond aux délais de propagation du signal direct de l'émetteur Ei au récepteur Rj. Le deuxième groupe (II) de pics correspond au signal réfléchi par l'aéronef avec un délai de propagation TEiCRj. Le trajet Ei ; C ; Rj , pour un aéronef, s'effectue avec une propagation sol/air/sol "sans" trajets multiples . La figure 3 schématise un exemple de configuration du système selon l'invention, permettant de s'affranchir de la réception du trajet direct émanant de l'émetteur Ei sur le récepteur Rj en utilisant uniquement le trajet réfléchi aéronef. Le système comporte par exemple deux émetteurs E1, E2 disposés en réseau, de positions connues et de synchronisation inconnues, et deux récepteurs R1 et R2 de positions connues et de synchronisation communes. Le système connaît aussi les distances et les azimuts respectifs de R1, R2, E1, E2. Le récepteur R1 reçoit le trajet direct de l'émetteur E2 et le trajet réfléchi aéronef émanant de E1. Les paramètres utilisés pour le procédé selon l'invention sont : # le délai de propagation entre E1 et R2 : TE1,R2= DE1,R2/C (connu par R1 et R2) Di,j représente la distance entre le dispositif i (émetteur ou récepteur) et le dispositif j #le délai de propagation entre RI et R2 : TRI,R2= DRI,R2/C (connu par RI et R2) # le délai de propagation entre E1 et R1 : TE1,R1= DEi,Ri/c (connu par R1 et R2) # le délai de propagation du trajet réfléchi cible El,C,Rl : TE1,C,R1 = (DEi,c+ DC,R1 )/c (inconnu) (2) # l'instant d'émission du signal de référence par El : T01, inconnu de R1 # l'instant d'arrivée de l'émission directe du signal de référence par E1 au récepteur R2 : #TOI,2 = TOI+ 2E1,R2 (mesuré) => TOI =T0i,2 - iEl,R2 (Calculé) #L'instant auquel le signal direct de El devrait arriver en Ri : T01,1 = TO1'E' TE1,R1 = T1,2 + (TE1,Rl - 2E1,R2) (calculé) # L'instant d'arrivée du signal réfléchi par la cible # T01,C,1 = T01 +# E1,C,R1 (mesuré) # La détermination du délai de propagation du trajet réfléchi cible E1,C,R1 't E1,C,R1= TOl,c, - TOl,l (3) Les caractéristiques de l'invention permettent d'évaluer les paramètres énoncés ci-dessus, dont la relation avec les différentes étapes du procédé apparaîtra à la lecture de ce qui suit. Etape h) Localisation hyperbolique Le principe de la localisation hyperbolique consiste à estimer le délai bistatique entre l'émetteur Ei et le récepteur Rj #Bij (Tpij = # Ei, C + # C, Rj - # Ei,Rj) (4) avec # Ei, C + C,Rj # Ei, Rj correspondant au délai émetteur Ei- aéronef C + le délai aéronef C- récepteur Rj + le délai émetteur Ei- récepteur Rj. La résolution temporelle de la mesure est Ri. La propagation étant supposée isocélère de type direct, le lieu des points correspondant au délai bistatique #ssij relatif à l'aéronef C est le volume Vij compris entre deux hyperboloïdes, défini par les inégalités suivantes (sur un point M) : -c.R/2 Des mesures multiples de l'aéronef C sur plusieurs couples émetteursrécepteurs Eik, Rjk permettent de localiser l'aéronef à l'intersection des volumes Vik,jk définis par l'inégalité (5). Une mesure bistatique sur le couple Ei, Rj adjointe à une mesure angulaire #c,j [angle sphérique = (gisement, de résolution angulaire R# au niveau du récepteur Rj permet d'obtenir le lieu de l'aéronef à l'intersection du volume Vij et du cône issu de Rj, d'axe #c,j et d'ouverture R#. En multipliant les mesures sur les couples (Ei, Rj)i,j , le procédé offre la possibilité d'affiner la localisation et le suivi d'un aéronef. Mesures de retard Pour conduire à l'estimation des paramètres temporels décrits ci-dessus pour la localisation hyperbolique, le procédé selon l'invention met en oeuvre des méthodes qui exploitent notamment les séquences discriminantes employées dans les signaux de transmission numérique pour l'accrochage des récepteurs. Le procédé utilise la connaissance a priori des séquences discriminantes dans les émissions numériques, normalisées ou connues, pour exécuter les opérations suivantes : 1) construire un estimateur des instants de synchronisation et des fréquences Doppler correspondant à chaque réplique du signal discriminant, 2) séparer par filtrage spatial et temporel les émetteurs simultanément présents sur une même fréquence porteuse selon des principes connus de l'Homme du métier. Des exemples de filtrage sont donnés à titre illustratif et non limitatif aux figures 4,5 et 6, 3) produire la réponse impulsionnelle du filtre de propagation, par exemple illustrée à la figure 2, dans laquelle figurent : - les signaux provenant du trajet direct Ei, Rj (plus des trajets multiples éventuels), lorsqu'il est reçu par Rj, à l'issue du délai de propagation tE1, RJ, - les signaux provenant du trajet réfléchi aéronef, Ei, C, Rj (avec peu ou pas de trajets multiples étant donné la transmission sol/air puis air/sol) à l'issue du délai de propagation tEi,C,Rj. Ces différentes mises en #uvre sont par exemple appliquées à partir d'un système de réception et de numérisation des signaux prévus à cet effet. La figure 4 représente un exemple de mise en #uvre des traitements proprement dits sur des fenêtres glissantes, indexées sur la longueur des séquences discriminantes, la fréquence d'échantillonnage du signal, l'excursion et le maillage du domaine temps fréquence. La première partie 4a de la figure représente la détection et la synchronisation temps/Doppler sur fenêtre glissante en temps et le calcul d'un critère C(n) par fenêtre. La deuxième partie 4b de la figure représente dans un diagramme où l'axe des abscisses correspond à la synchronisation dans le temps et l'axe des ordonnés la synchronisation Doppler, le calcul C(n) sur chaque fenêtre avec la couverture du domaine d'excursion retard/Doppler. Le procédé de filtrage spatio-temporel pour déterminer les instants d'arrivées ou retard des trajets de propagation aux fins de localisation hyperbolique selon l'invention fait appel à des principes et des algorithmes décrits à titre d'exemples non limitatifs aux les figures 5 et 6. D'autres algorithmes de type similaires peuvent aussi être mis en oeuvre, par exemple des algorithmes de détection jointe, des algorithmes MMSE (erreur quadratique minimum moyenne ou Minimum mean Square Error) MLSE (estimateur de la séquence au maximum de vraisemblance ou Maximum likehood Sequence Estimator) etc. peuvent être utilisés. La figure 5 schématise un exemple de structure pour traiter les signaux reçus sur un réseau de capteurs en utilisant un Filtre Adapté Spatial (FAS) La figure 6 schématise une architecture permettant une estimation de canal mono-voie plus le calcul de puissance. Ces traitements forment la base de la détection des signaux et de la détermination des variables temporelles nécessaires à la localisation hyperbolique. Traitement spatio-temporel - Définitions Variables Ts : période symbole, Te période d'échantillonnage, convention d'écriture f(n)=f(nTe) NL : longueur de la réponse du canal en échantillons K : longueur de la séquence discriminante (bits ou code pilote, séquence d'apprentissage, etc.) '1 s : signal émis de la forme sCt) = Iran Co (t - nT) n=0 toujours avec la convention S(n) = S(nTe) Co : Fonction principale de modulation d : séquence d'apprentissage (taille Kxl), d= (dl,...,dK)T , dK scalaire, d : version de d filtrée par la modulation et le filtre de réception d (# 1,..., # K) )T g : réponse du canal multivoie (taille 5xNL) g= (go,...,gNL-i) avec g, : 5xl h : réponse du canal monovoie (taille NLxl) h= (h0,...,hNL-1)T avec h, : lxl x : signal multivoie en entrée filtré par le canal g et bruité par le bruit total bT Xyz"≥ Y-i=I,NL9(1)-S(ii-1) + bT(n) avec bT(n) : bruit total = vecteur (bruit+ interférences) NOTA : à un instant d'échantillonnage n, x(n), bT(n) sont des vecteurs 5x1 S(n) : matrices NLxl construites avec les NL échantillons de s : S(n)=(s(n),... S(n+K-1))T X(n) : matrices 5xK construites avec les K échantillons de x : X"=(x",... x"+I{-1 ) D(k) : matrices NLxl construites avec les NL échantillons de d : D(k) =(# (k),..., # (k+NL-1))T Opérateurs de corrélation Matrices d'intercorrélation sur K échantillons moyennée sur K échantillons entre le signal d'entrée x et la séquence d , égale à d modulée par la fonction Co, Matrice d'autocorrélation du signal d'entrée x sur K échantillons, moyennée sur K K-1 r. échantillons Rx (n) =# x"+Izxn+x>T *) taille (5*5) Kk=O Matrice d'intercorrrélation sur NL échantillons du signal d'entrée x et la séquence D, moyennée sur K échantillons - Taille (5*NL) Matrice d'intercorrrélation sur NL échantillons du signal d'entrée x et de la séquence D, moyennée sur K échantillons - Taille (NL*NL) Détection et synchronisation multivoie par Filtre adapté spatial (FAS) Le principe est de trouver l'instant n de synchronisation optimal au sens du Maximum de vraisemblance en Bruit Gaussien Blanc Temporellement. La solution réside dans l'utilisation d'un filtre w(n) w(n) = Rxx(n)-1.r##(n) (estimée MC du filtre de Wiener) W réalise le critère Min {!wr* xCk) - j(k)' 211} W Ce filtre appliqué au signal maximise, en sortie, la corrélation avec la séquence. La corrélation est donnée à l'instant n par C(n). Cas monodimensionnel : C(n) est simplement l'intercorrélation de x et normalisée par #x### Il sur une fenêtre de longueur K (≤> récepteur optimal en cas monotrajet). Estimation de canal puis calcul de puissance sur séquence discriminante par Filtre Adapté Temporel Estimation de canal et calcul de puissance sur séquence discriminante Le principe est de minimiser l'expression suivante pour un h avec XI le signal sur la voie n I et hT*D(k) la réplique de la séquence d'apprentissage filtrée par une estimation h du canal. Les solutions sont : énergie du signal estimée sur la séquence d'apprentissage C = ##h(l)2 l=1 énergie bruit +brouilleurs estimée sur la séquence d'apprentissage En terme de sensibilité, les performances produites par ce type de traitement sont globalement les suivantes: 1 Gain de traitement en réception directe GT# de l'ordre de GT# = 10 log 10(Be.Te) 2 Dégradation possible du gain GTB de traitement en configuration bistatique de quelques dB par allongement, décohérence et dépolarisation du signal exploité dans les traitements lors de la réflexion sur la cible C 3 Sensibilité en réception #dB face au bruit pour une marge de détection MdB de l'ordre de rldB=-174,6+ MaB + 10 logo (B) - GTB (dBm) 4 Réjection de brouilleurs performante sur une architecture de réception multivoie, dont les performances exactes dépendent : 4. 1 - du nombre de voies de réception et de la qualité de leur synchronisme 4. 2 - du nombre de signaux simultanément reçus dans la durée et la bande de traitement 4. 3 - de la fonction d'auto corrélation de la séquence de synchronisation utilisée 4. 4 - de la matrice d'inter corrélation entre différentes séquences de synchronisations (s'il en existe plusieurs) 4. 5 - des post traitements de réjection de fausse alarme mis en #uvre (post- traitements rendus nécessaires à la fois par les défauts de la matrice d'auto corrélation de chaque séquence discriminante et des inter corrélations possibles entre séquences s'il en existe plusieurs). Globalement, on peut considérer d'un point de vue pratique que les performances en réjection de brouilleurs atteignent une valeur de-7 + GTB et plus, dès lors que le nombre de voies de réception est supérieur au nombre de sources présentes. Dès lors que le nombre de voies de réception est supérieur au nombre de sources présentes, les mesures de détection et détermination de la réponse impulsionnelle du canal de propagation peuvent ainsi être conduites sur un signal S en entrée de récepteur s'il est reçu avec un niveau de bruit NB et un niveau de brouillage ou d'interférences 1 tel que Sut!fe~entrée/(NB+!) > -7 + GTB (dB) Traitement des zones aveugles Lorsque le signal direct est reçu, la réception simultanée dans la même case de résolution en distance du signal réfléchi cible induit une zone aveugle définie par 0 # d (M,Ei) + d(M,Rj) # +c.#a ; # > 0 La durée aveugle #a considérée dans la définition de la zone aveugle peut être différente de la résolution du traitement temporel des signaux. Elle dépend en toute rigueur du signal discriminant utilisé, les performances de traitement de réjection des brouilleurs et des interférences, mais aussi des niveaux relatifs du signal direct lorsqu'il est reçu et du signal réfléchi cible. En pratique Ta varie entre deux valeurs extrêmes qui sont: 1 - Cas favorable Ta = R#/2, moitié de la résolution du traitement de synchronisation Ce cas survient lorsque le signal direct est suffisamment faible pour être effectivement réj ecté dans le traitement de synchronisation si l'écart entre les instants d'arrivée est supérieur à R#/2. 2 - Cas défavorable Ta = Te , durée du signal émis. Ce cas survient lorsque le signal direct est trop fort et sature le traitement de synchronisation. Si le signal est continu, ceci signifie qu'aucune mesure ne peut être effectuée sans limitation du niveau reçu du signal direct par un procédé externe au traitement : directivité d'antenne, - éloignement du système de réception, - ou toute autre méthode favorisant le bilan de liaison sur le signal réfléchi cible. Dans tous les cas, cette zone aveugle est un ellipsoïde de foyer Ei et Rj défini par #a. Compte tenu du régime des pertes de propagation en configuration sol/sol, un éloignement suffisant des récepteurs et des émetteurs permet d'obtenir la configuration favorable 1 pour la mise en #uvre de l'invention. Traitement des zones d'ambiguités Pour traiter les zones d'ambiguïtés provenant de la répétition des séquences discriminantes identiques avec la période TR et définies par -c.RT/2 0 le procédé exécute des mesures multiples de l'aéronef sur plusieurs couples Ei, Rj ou une trajectographie de l'aéronef sur plusieurs détections. Ces zones d'ambiguïté sont des couronnes d'ellipsoïdes de foyer Ei et Rj, d'épaisseur R#. En pratique, dans les exemples mentionnés ci-après pour la mise en #uvre de l'invention, les distances d'ambiguïté sont soit de l'ordre de grandeur, soit supérieures à la portée du système. De plus, dans les cas extrêmes, des mesures multiples de la cible C sur plusieurs couples Ei, Rj ou une trajectographie de la cible sur plusieurs détections permettent de résoudre les ambiguïtés: post-traitement consécutif à mise en #uvre de l'invention sur une durée significative et/ou avec plusieurs détections et localisations de la cible. Le procédé selon l'invention peut s'appliquer pour différentes types d'émetteurs et pour différents types de traitement dont certains vont être décrits comme des exemples d'applications non limitatifs du procédé selon l'invention. Le tableau I représente une synthèse des données concernant des émetteurs d'opportunités utilisables pour exécuter le procédé selon l'invention. Classes Bande Puissance Ouverture Ouverture Largeur de Identification (MHz) équivalente Gisement Site bande Emetteur rayonnée kW Emetteurs 470-860 5-100 3600 10 8 MHz, Décodage DVB-T 7MHz dans les sousPolar H 6 MHz porteuses TPS BTS GSM 900,180 20-1 360 ou 5 à 20 N*200 kHz Décodage CI, 0, 1900, 180 ou N varie BSIC et LAI futur 120 entre 1 et 32 dans canaux 400 BCCH sur voie balise BSIC = code identité de la station de base ou en anglo-saxon Base Station Identity Code CI = identité de cellule ou en anglo-saxon Cell identity LAI = code de zone locale ou en anglo-saxon Location Area Code BCCH = canal de diffusion ou en anglo-saxon BroadCast Channel Caractéristiques des signaux GSM (d'après la norme ETSI GSM 04:08) Les principales caractéristiques utilisées dans les signaux mentionnés sont représentés à la figure 7. Le signal de synchronisation SCH inclus dans le canal BCCH comporte les messages diffusant un code couleur BSIC et un code d'identité CI permettant notamment d'identifier l'émetteur un numéro de synchronisation, La séquence discriminante est unique et codée sur 64 bits . Caractéristiques des signaux DVB-T La figure 8 représente les caractéristiques des signaux DVB-T utilisées dans le procédé selon l'invention. L'identification des émetteurs DVB-T s'effectue par décodage des sous porteuses TPS. 8 bits de l'étiquette Cell-id sont par exemple utilisés pour identifier un émetteur. Exemples chiffrés de mise en #uvre du procédé selon l'invention pour des infrastructures DVB-T et GSM . Pour les émetteurs DVB-T en mode 8K (8192 sous porteuse), la meilleure séquence discriminante candidate est le signal pilote diffus (ou scattered pilot ) présent sur chaque symbole (de durée de l'ordre de la milliseconde), et identique tous les quatre symboles (Cf figure 8). En supposant ce signal non amplifié ou atténué dans le signal émis, la séquence discriminante occupe sur un symbole 568 sous porteuses à raison d'une sous porteuse sur 12, ce qui conduit aux paramètres caractéristiques suivants : - une bande équivalente de l'ordre de 8 MHz - un gain de traitement direct GTA= 10 log10 (568) = 27,5 dB - un rapport Sut]ie entrée/I sur un symbole = -l0.loglo(12)= -11 dB - une récurrence d'apparition d'une séquence donnée de 568 de scattered pilot toutes les 4 millisecondes => distance d'ambiguïté = 120 km, de l'ordre de la portée espérée du système => peu d'ambiguïté distance. Pour les infrastructures GSM, la meilleure séquence discriminante candidate est le signal de synchronisation SCH présent sur la voie balise de chaque station de base (figure 7). En supposant que ce signal n'est ni amplifié ni atténué dans le signal émis, la séquence discriminante occupe 64 symboles sur un burst de 577 microsecondes à raison d'environ 20 séquences identiques par secondes, ce qui conduit aux paramètres caractéristiques suivants : - une bande équivalente de l'ordre de 270 kHz - un gain de traitement direct GTA= 10 log10 (64) = 18 dB - une récurrence d'apparition tous les 50 millisecondes environ, => distance d'ambiguïté = 15.000 km environ très supérieure à la portée espérée du système => pas d'ambiguïté distance. Compte tenu des gains de traitements correspondants aux signaux évoqués plus haut et des possibilités de réjection de fausses alarmes liés à la connaissance à priori des séquences employées, on considère dans la suite, de manière simplifiée, que la détection et les mesures sont possibles lorsque l'excès de rapport signal à bruit + interférences en sortie traitement est positif compte tenu d'une marge M prise à la valeur de 7 dB. Application numérique Pour illustrer les performances du procédé selon l'invention, dans l'exemple suivant on considère les cas nominaux d'exploitation de station de base GSM et d'émetteurs DVBT avec des cibles présentant une surface équivalente SER (surface de réflexion) variant de 10 m2(petit avion) à 100 m2 (avion de ligne) dans la bande de 400 MHz à 1 GHz , - des puissances équivalentes rayonnées par les émetteurs de l'ordre de 20 W à 10 kW - terme PeGe, - des bandes de fréquences de 500 kHz (DVB-T) et 900 MHz (GSM), - des bandes de réception de 300 kHz (GSM) et 8 MHz (DVB-T mode K sur BW 8 MHz) - terme BW, - des séquences discriminantes exploitées comme référence dans le signal émis dont le produit Be.#e varie entre : # 64 (séquence de synchronisation SCH des voies de signalisation GSM), # et 512 (scattered pilot d'un symbole DVBT), - une réception par des antennes de type dipôle accordé (gain de l'antenne en réception GAR = 2 dBi), - une dégradation du gain de traitement bistatique de 3 dB, - des pertes de propagation sol/air et air/solde type géométrique en 1/R2, R étant la distance parcourue par le trajet, de quelques kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres selon les cas, - une marge M égale à 7 dB pour le calcul de l'excès de rapport signal à bruit. Les caractéristiques de réception prise en compte sont récapitulées dans deux tableaux ci-dessous : Donnée en Freq. PeGe BW Nb=FkTB GAR SER GTB compte dB Hyp. F=10 tenu dB dégradation bistatique InfraDVBT 500 MHz 1- 100 kW 8 MHz soit - 95 dBm 2 dBi 0, 03 m 2 512 soit 27 Mode 8K soit 60 à 80 69 dB/Hz 13,5 dB dBm dB/m2 => 24 dB Infra GSM 900 MHz 20 W - 270 kHz - 109 dBm 2 dBi 0,01 m2 64 soit 18 lkWsoit43 soit 43 -18,5 dB à 60 dBm dB/Hz dB/m2 => 15 dB Sous ces conditions le tableau suivant donne des exemples (non limitatifs) de portée atteignables avec une marge de calcul M = 7 dB prise pour le calcul de l'excès de rapport signal à bruit. Exemple de portée sur Marge M=7 dB PeGe Petit avion Gros avion#Sutile~entree,@ Sutile~ sottie,) Excès SER = 10 m2 SER = 100 m2 en dB DEi,C =DEi,C DRj,C= DRj,C = InfraDVBT 1 kW soit 25 km 44,5 km -111,3 dB - 87,2 dB 0 dB 60 dBm 25 km 44,5 km InfraDVBT 100 kW80km 142,3 km -111,5 dB - 87,4 dB 0 dB soit 80 km 142,3 km 80 dBm Infra GSM 20 W soit 9,5 km 16,9 km -116,6 -101,6 1 dB Zone 43 dBm 9,5 km 16,9 km urbaine ~~~~~~ ~~~~~~~~~ ~~~~~ Infra GSM 300 W soit 19 km 33,8 km -116,6 -101,6 1 dB Zone rurale 55 dBm 19 km 33,8 km REVENDICATIONS 1 - Procédé pour détecter et/ou localiser un engin mobile dans un système de réception exploitant des émetteurs d'opportunité dont le signal comprend des éléments permettant la synchronisation du récepteur caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : a) détecter certaines séquences discriminantes du signal utile, b) séparer chaque émission présente sur les fréquences porteuses scrutées par le ou les récepteurs par filtrage spatio-temporel des signaux présents sous chaque fréquence porteuse, c) identifier les émetteurs Ei correspondant aux signaux reçus, d) déterminer la réponse impulsionnelle du canal de propagation pour chaque émetteur Ei et pour chaque détection réalisée sur cet émetteur, g) mesurer l'instant d'arrivée du trajet réfléchi par l'engin mobile puis son retard par rapport à l'instant d'émission de l'émetteur, h) déduire la position de l'engin mobile à l'intersection des ellipsoïdes définis par les foyers constitués des émetteurs Ei reçus et du ou des récepteurs Rj. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : e) séparer dans la réponse impulsionnelle la contribution du trajet direct émetteurrécepteur (Ei-Rj) de la contribution du trajet réfléchi mobile (Ei-C- Rj); f) mesurer l'instant d'arrivée du trajet direct (Ei-Rj) puis son retard par rapport à l'instant d'émission de l'émetteur; g) mesurer l'instant d'arrivée du trajet réfléchi par l'engin mobile puis son retard ar rapport au signal direct de l'émetteur. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : i) de mesure des angles d'arrivée du signal réfléchi mobile (azimuth #j, site #j) au niveau des récepteurs Rj, j) de déduction de la position du mobile à l'intersection des ellipsoïdes précédemment définies et de la droite définie par les angles d'arrivée et le lieu du récepteur Rj.