Brevet FR2868541A1 — publié le 20051007

L'invention concerne un procédé de localisation de plusieurs émetteurs au sol en contexte large bande à partir du défilement d'un porteur sans avoir de connaissance a priori sur les signaux émis. Le porteur peut être un avion, un hélicoptère, un bateau, etc. Le procédé est par exemple mis en oeuvre de façon itérative pendant le défilement du porteur. L'art antérieur décrit différentes méthodes pour localiser un ou io plusieurs émetteurs à partir d'un porteur défilant. La figure 1 illustre un exemple de localisation aéroportée. L'émetteur 1 est à la position (xo,yo,zo) et le porteur 2 à l'instant tk est à la position (xk,yk,zk) et voit l'émetteur sous l'incidence (B(tk,xo,yo,zo), A(tk,xo,yo,zo)). Les angles 8(t,xo,yo,zo) et A(t,xo,yo,zo) évoluent au cours du temps et dépendent de la position de l'émetteur ainsi que de la trajectoire du porteur. Les angles 0(t,xo,yo,zo) et A(t,xo,yo,zo) sont repérés comme le montre la figure 2 par rapport à un réseau 3 de N antennes pouvant être fixé sous le porteur. Il existe plusieurs familles de techniques permettant de déterminer la position (xm,ym,zm) des émetteurs. Ces techniques diffèrent notamment par les paramètres estimés en instantané au niveau du réseau de capteurs. C'est ainsi qu'on peut classer les techniques de localisation dans les catégories suivantes: utilisation de la goniométrie, utilisation de la différence de phase entre 2 capteurs éloignés, utilisation de la mesure de la fréquence porteuse de l'émetteur, utilisation des temps de propagation. La demande de brevet du demandeur FR 03/13128 décrit un procédé de localisation d'un ou de plusieurs émetteurs à partir d'un porteur défilant où les vecteurs directeurs sont mesurés dans le même canal fréquentiel et sont donc tous à la même longueur d'onde. 2 2868541 Le procédé selon l'invention a notamment pour objectif de réaliser une estimation directe des positions (xm,ym,zm) de chacun des émetteurs à partir d'une identification en aveugle des vecteurs directeurs des émetteurs à divers instants tk et à diverses longueurs d'onde 2k. L'analyse paramétrique aura pour fonction supplémentaire de séparer les différents émetteurs à chaque couple instant-longueur d'onde (tk, a,p(k)). Les paramètres des vecteurs issus des différents couples (tk, Xp(k)) sont ensuite associés pour, finalement, effectuer une localisation sur chacun des émetteurs. io L'invention concerne un procédé de localisation d'une ou de plusieurs sources, la ou lesdites sources étant en mouvement par rapport à un réseau de capteurs, le procédé comportant une étape de séparation des sources afin d'identifier les vecteurs directeurs associés à la réponse des capteurs à une source d'incidence donnée. Il est caractérisé en ce qu'il is comporte au moins les étapes suivantes: o associer les vecteurs directeurs a a obtenus pour le m1e'ne 1p(1)m"' Kp(K)m émetteur et respectivement pour les instants t1...tK et pour des longueurs d'onde a,p(l) )1,1)(4 o localiser le m'ème émetteur à partir des composantes des vecteurs 20 alp(1)m...aKp(K)m mesurés pour différentes longueurs d'onde. Le procédé large bande selon l'invention offre notamment les avantages suivants: o La localisation d'un émetteur se fait par une méthode directe qui maximise un seul critère fonction des coordonnées (x,y,z) de 25 l'émetteur. o II permet d'effectuer une association des vecteurs directeurs des sources dans l'espace temps-fréquence, ce qui permet en particulier la prise en compte de signaux EVF (Evasion de Fréquence) et TDMA FDMA (Time Division Multiple Access et Frequency Division Multiple 3 2868541 Access). o Il peut être mis en oeuvre sur des réseaux calibrés ou avec des antennes à diversités d'amplitude comme les antennes colocalisées: réseau avec des dipôles de même centre de phase et ayant des orientations différentes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un exemple détaillé, donné à titre illustratif et nullement limitatif, annexé des figures qui représentent: É la figure 1 un exemple de localisation par un avion équipé d'un réseau io d'antennes d'un émetteur de position (xo, yo, zo) au sol, É la figure 2 un réseau de 5 antennes et les angles d'incidence d'un émetteur, É la figure 3 un diagramme de fonctionnement général du procédé en présence de M émetteurs large bande. Afin de mieux faire comprendre le procédé selon l'invention l'exemple qui suit est donné à titre illustratif et nullement limitatif pour un système tel que décrit à la figure 1 comprenant un avion 2 équipé d'un dispositif de réception comprenant par exemple un réseau de N capteurs (Fig.2), et d'un émetteur 1 que l'on souhaite localiser. Avant d'expliciter les étapes du procédé selon l'invention, on définit le modèle utilisé. Modélisation En présence de M émetteurs, l'avion reçoit à l'instant t en sortie des N capteurs du réseau et du p1ème canal de longueur d'onde 2p, le vecteur x(t,p). Autour de l'instant tk, le vecteur x(t+tk, p) de dimension Nxl correspondant au mélange des signaux des M émetteurs s'exprime par: 4 2868541 X(t+tk, p) = x i (t + tk, p) xN(t+tk,p) a(ekm.,Akm, p) Sm(t+tk)+ b(t+tk) M E n=1 (1) =Akp S(t+tk, p) + b(t+tk, p) pour Itl lo Dans ce modèle, la matrice Akp de mélange dépend de l'instant tk d'observation ainsi que de la longueur d'onde 43. Le modèle ci-dessus montre que le vecteur directeur: akpm= a(ekm,Okm,Xp) =a(tk,Xp,xm,ym, z,,,) du mième émetteur (2) à l'instant tk est une fonction connue de (tk,Xp) et de la position de l'émetteur (xm,ym,Zm). Le procédé selon l'invention comporte par exemple les étapes suivantes résumées à la figure 3: É l'Estimation Paramétrique (EP) et la Séparation des Emetteurs (SE) aux instants tk et longueur d'onde Xp par exemple en identifiant les vecteurs akpm pour (1 Cette première étape est effectuée par des techniques de séparation et 2868541 d'identification de sources décrites, par exemple dans les références [2][3]. É L'association des paramètres pour le m1eme émetteur, par exemple en associant les vecteurs alp(1)m jusqu'à aKp(K)m obtenus aux couples (instants, longueur d'onde) respectifs (tlXp(1)) ... (tK,Xp(K)). s Les vecteurs directeurs akpm sont considérés dans un espace (temps, longueur d'onde) ou encore un espace (temps, fréquence, la fréquence étant inversement proportionnelle à la longueur d'onde). É La localisation du mième émetteur à partir des vecteurs alp(1)m jusqu'à aKp(K)m associés, LOC-LB. io Etape d'association et suivi des émetteurs large bande En présence de M sources ou émetteurs et après l'étape de séparation de sources où les vecteurs directeurs associés à une source sont identifiés et non associés, le procédé donne pour le couple instant-longueur d'onde (tk, 2p), les Mk signatures akpm pour (1 A l'instant tk' et à la longueur d'onde 2, ', l'étape de séparation de source donne les Mk' vecteurs bi pour (1 rl. On élimine ainsi les instants aberrants qui peuvent être associés à d'autres émetteurs. Comme la fonction ssm(t,X) fait intervenir la distance d(u,v) entre les vecteurs u et v, on dit que u et v sont proches lorsque: d(u, v) Lorsque les vecteurs directeurs sont estimés sur une durée de T échantillons, la loi de la variable e peut être approchée par une loi de Gauss d'écart type 6=1Iiff. Dans ces conditions, la distance d(u, v) est proportionnelle à une loi du chi-2 à (N-1) degrés de libertés (N: longueur des vecteurs u et v). Le rapport entre la variable aléatoire d(u, v) et la loi du chi-2 vaut 6 IN. Connaissant la loi de e il est alors possible de déterminer le seuil ri avec une 20 certaine probabilité de fausse alarme. Dans les étapes de l'association du procédé, on définit une distance d;; dans l'espace temps-longueur d'onde entre les couples (t;,Xp(;)) et (tss,2 P(j)): du= d%i = it, t.r)2+(2,,(i) 2,c.n l En considérant que pour chaque couple (tk,2 p(k)), Mk vecteurs akp(k)i (1 Les étapes d'association pour K instants tk et 2,,p longueurs d'onde sont par exemple les suivantes: Etape AS1 Initialisation du processus à k=0, m=1 et M=1. Le nombre initial d'émetteurs est déterminé par exemple au moyen d'un test de détection du nombre de sources à l'instant t0, test connu de l'Homme du métier Pour tous les triplets (tk,ap(k),j) initialisation d'un indicateur flagk; à flagkj=0: flagkj=0 indique que le jième vecteur directeur obtenu à (tk,/Ip(k)) est associé à aucune famille de vecteurs directeurs. Etape AS2 Recherche d'un indice j et d'un couple (tk,2p(k)) tel que flagkj=0, qui traduit le fait que l'association à une famille de vecteur directeur n'est pas réalisée, Etape AS3 Pour ce 1er triplet (tk,2.p(k),j), on effectue flagk;=1 et on initialise lienk,; à Iienk'; =0 pour k' k et i' j et indm ={k} et em={ akp(k)i}, où (Dm est l'ensemble des vecteurs associés à la m'erre famille ou miôme émetteur, indm l'ensemble des indices k des couples (tk,2p(k)) associés au même émetteur, lienk; est un flag qui indique s'il a été effectué un test d'association du (8) vecteur akp(k)i du triplet (tk,11p(k),i) à la m1ème famille de vecteurs directeurs: Iienki=0 indique que le test d'association n'a pas été effectué. Etape AS4 Détermination du couple (tk',/Ip(k)) minimisant la distance dkk' de la relation (8) avec (tk,2p(k)) tel que kEindm dans l'espace temps-fréquence et où il existe au moins un vecteur b;= akp(k); tel que flagk,i=0 et Iienki=0, le vecteur n'a jamais été associé à une famille d'une part et il n'a pas été effectué de test d'association à la mième famille d'autre part. On recherche dans un ensemble de données résultant de la séparation des sources, Etape AS5 En utilisant la relation (4) définie précédemment, on détermine l'indice 1(m) minimisant l'écart entre les vecteurs akp(k)m tels que kEindm et les vecteurs b; identifiés aux couples instant-longueur d'onde (tk',2p(k)) pour (1 Etape AS6 mettre lienk,i(m)=1: Le test d'association à la mième famille a été effectué. Etape AS7 Si d(akp(k)m, bi(m)) Etape AS8 Retour à l'étape AS4 s'il existe au moins un doublet (tk',Zip(k) ) et un indice i tel que l'indicateur Iienki=0 et flagk.i=0. Etape AS9 En posant K(m)=cardinal(cDm), on a obtenu la famille de vecteurs 1 m={alp(1)m... aK(m),p(K(m)),m} associé à la 15 9 2868541 source indicée par m. Pour chaque vecteur akp(k)m on associe l'estimé ssm(tk,/ip) de (5) puis on réalise une interpolation polynomiale des ssm (tk,/ip) pour obtenir la fonction s bidimensionnelle ssm(t,/I) interpolée. Etape AS 10 A partir de la famille de vecteurs em ={a1p(1),m... aK(M), p(K(M)),m}, extraire les J instants t; ind,, c /ndm tels que les coefficients Issm(ti,/ipo)) - ssm (t;,2p(;))I 511 (valeur seuil) tel que ssm(t;,iip(o) n'est pas un point aberrant de la fonction (3m(1,2). On dit que l'on a un point aberrant lorsque l'écart en module entre le point ssm (t;,2p(;)) et une interpolation de la fonction ssm(t,,t) ne dépasse pas un seuil Il. Après ce tri, la nouvelle famille de couple est Dm = { ak,p(k),m / k eindd}, indm = indj et K(M) =J, MF-M+1 et m Etape AS11 Retour à l'étape AS3 s'il existe au moins un triplet (tk,Âp(k), j) tel que flagkf=0. Etape AS12 MF-M-1. Après l'étape AS10 on est en possession de la famille de vecteurs Dm ={alp(1),m É É É aK(M),p(K(M)),m} ne comportant pas de point aberrants. A chaque vecteur est associé une fonction ssm(t,a.) ayant notamment pour rôle d'éliminer les points aberrants, qui n'appartiennent pas à une zone d'incertitude donnée par i-1 (Voir équations (5)(6)(7)). Les étapes du procédé décrites ci-dessus ont notamment comme 2868541 avantages: de déterminer automatiquement le nombre M d'émetteurs, de déterminer pour chaque émetteur: o la famille de vecteurs 1m ={alp(1),m É É É aK(m),p(K(m)),m}, 5 o le nombre K(m) de vecteurs directeurs, o un ensemble ind d'indices indiquant les couples (tk,2p(k)) associés aux vecteurs de l'ensemble gym. de gérer le cas de l'apparition et la disparition d'un émetteur, d'associer les émetteurs dans l'espace temps-longueur d'onde (t,2) Le procédé d'association précédemment décrit à titre illustratif et nullement limitatif est basé sur un critère de distance des vecteurs directeurs. Sans sortir du cadre de l'invention, on peut lui adjoindre d'autres critères tels que: 1s le niveau de signal reçu dans le canal considéré (critère de corrélation sur le niveau), l'instant de début d'émission (front) ou de détection d'un marqueur périodique (séquence de référence), permettant l'utilisation de critères de synchronisation dans le cas de signaux EVF à synchronisme temporel (paliers, TDMA, bursts, etc.), des caractéristiques liées à l'analyse technique du signal (forme d'onde, paramètres de modulation...), etc. L'étape suivante est de localiser les émetteurs. 25 Localisation large bande d'un émetteur Le procédé a notamment pour objectif de déterminer la position du mième émetteur à partir des composantes des vecteurs alp(1)m jusqu'à akp(K)m mesurés avec différentes longueur d'ondes. Ces vecteurs akp(k)m ont la particularité de dépendre de l'instant tk, de la longueur d'ondeÀp(k) et de la position (xm,ym,zm) de l'émetteur. Par exemple pour un réseau composé de N=2 capteurs espacés d'une 5 distance de d dans l'axe du porteur le vecteur directeur vérifie akp(k) m. i exp j 2z d cos(O(tk, x , , Y,,, , z , )) cos(A(tk x,,, Zm)) p(k) = a(tk,2p(k),xm,ym,zm) D'après la figure 1, l'incidence (6Ctk,xm,ym,zm), A(tk,Xm,ym,zm) ) peut être directement calculée à partir de la position (xk,yk,zk) du porteur à l'instant tk et la position (xm,ym,zm) de l'émetteur. Le procédé va par exemple construire un vecteur bkp(k)m à partir io des composantes du vecteur akp(k)m. Le vecteur bkp(k)m peut être un vecteur de dimension (N-1)x1 en choisissant un capteur de référence en n=i: akP(k) n, (1) / akp(k),n (Z) akp(k)m = \ (9) akp(k)m (i -1) l akp(k)n, (i) akp(k) m (i + 1) l akp(k)n, (i) = b(tk,/Ip(k),Xm,ym,Zm) (10) bkp(k)m = akp(k)n, (N) l akp(k)n, (i) OU akp(k)m(n) est la ieme composante de akp(k)m. Ainsi dans l'exemple de l'équation (9) et en fixant i=1 on obtient: exp j22-c d cos(9(tk,x ,, Y,,,, z,,,))cos(A(tk.,x,,,,Y,,,, z,n)) p(k) i Sachant que les vecteurs directeurs akp(k)m sont estimés avec une bkp(k)m = certaine erreur ekp(k)m telle que akp(k)m= a(tk,%,p(k),xm,Ym,zm)+ ekp(k) m, il en est de même pour le vecteur transformé bkp(k)m de (10) au premier ordre lorsque Ilekp(k)m II bkp(k)m = b(tk,2p(k),Xm,Ym,Zm)+ Wkm La famille de techniques de localisation mentionnées dans l'art antérieur qui utilise le déphasage entre 2 capteurs requiert de connaître la phase du vecteur bkp(k)m. Sachant que le vecteur akp(k)m est une fonction de la position (xm,ym,zm) de l'émetteur, il en est de même pour le vecteur bkp(k)m. Dans ces conditions, la méthode de localisation consiste par exemple à maximiser le critère de corrélation vectorielle normalisé LK(x,y,z) Io suivant dans l'espace (x,y,z) de position d'un émetteur. bKHvK (x,Y,z) LK(x,Y,z)= (bKHbK XvK(x,.y,z)H VK(x,.y,Z)) avec b(t,,20),x,Y,z) bK = = VK (xm,Ym,Zm) + WK, VK (x,Y,Z) = et (12) b Km WK = Wb(tK,/1,,(K),x,Y,z) (13) Le vecteur bruit WK a pour matrice de covariance R=E[WK wK"]. En supposant que l'on puisse connaître cette matrice R, le critère peut être envisagé avec une technique de blanchiment. Dans ces conditions on obtient le critère LK'(x,y,z) suivant: bKH R-' vK(x,Y,z) LK'(x,y,z)= avec R=E[wK bKHR 'bK)vK(x,Y,z)HR-IvK(x,Y,z)) (14) 13 2868541 W KH] Le vecteur VK (x,y,z) dépend des K longueurs d'ondes lp(l) jusqu'à Xp(K). C'est pourquoi on dit que le procédé fait une localisation large bande. Les critères LK(x,y,z) et LK'(x,y,z) ont l'avantage de pouvoir mettre en oeuvre une technique de localisation en présence d'un réseau de capteurs s calibrés dans l'espace (6,4) à diverses longueurs d'onde X. Sachant qu'à l'instant tk on connaît la relation analytique liant l'incidence (O(tk,x,y,z), 4(tk,x,y,z)) de l'émetteur à sa position (x,y,z), on peut alors déduire à partir de l'incidence (O(tk,x,y,z), 4(tk,x,y,z)) le vecteur a(tk,Xp(k),xm,ym,zm)= a(O(tk,x,y,z) , A(tk,x,y,z),Xp(k)) en réalisant une interpolation de la table de calibration dans l'espace à trois dimensions (6, 4,9,.). Dans un contexte aéroporté la connaissance de l'altitude h de l'avion permet de réduire le calcul du critère dans l'espace de recherche (x,y) en posant z=h. Dans l'exemple des équations (9) et (11) le vecteur VK (x,y,z) 15 s'écrit de la manière suivante: exp j2z d cos(B(t,,x,y,z))cos(4(t,,x,y,z)) exp j27-t- d cos(O(tK,x,y,z))cos(4(tK,x,y,z)) 2P(K) / (15) VK (x,y,z) = Dans ce procédé on peut envisager d'initialiser l'algorithme à K=K0 puis ensuite de calculer de façon récursive le critère LK(x,y,z). Dans ces conditions LK(x,y,z) se calcule récursivement de la façon suivante: y LK+1(x,y,z)= a K +l (X., , 2) ( NK+I YK+l (x, y, 2) (16) 14 2868541 Oë C(K+1(X,y,Z)=aK(x,Y,Z) + bK+1p(K+1) mH b(tK+1,2p(K+1),x+y+Z) YK+1(x,Y,Z)7YK(x,Y,Z) + b(tK+l,2p(K+1),x,y,Z)H b(tK+1,2p(K+1),x,Y,z) ssK+1-.-ssK + bK+1 p(K+1) mH bK+1 p(K+1) m Lorsque les vecteurs b(tK+1,2p(K+ 1),x,y,z) et bkp(k)m sont de normes constantes égales à p la relation de récurrence de l'équation (16) devient: LK+1(x,y,z)= aK'1 (c,Y,z) ss(K+1)Oë CLK+1(x,y,Z)-aK(x,Y,Z) + b K+1 p(K+1) mH b(tK+1,2p(K+1),x,Y,Z) Le procédé est décrit jusqu'ici en supposant que les émetteurs ont des positions fixes. Il peut facilement s'étendre au cas de cibles mobiles de vecteur vitesse (vxm,vym,vzm) pour lesquelles on dispose d'un modèle d'évolution comme pour le procédé décrit dans la demande de brevet FR 03/13128. lo Le procédé selon l'invention peut s'appliquer à un très grand nombre de mesures. Dans ce cas, on diminue la valeur de K afin de réduire la complexité numérique de calcul. Le procédé prévoit par exemple d'effectuer sur les mesures élémentaires les traitements suivants: - décimation des couples (tk, ?p(k)) - filtrage (lissage des mesures qui sont les vecteurs directeurs) et sous échantillonnage, fusionnées sur une durée définie (extraction par association de vecteur directeur pour produire une mesure de synthèse). (17) 2868541 Bibliographie 1 - RO.SCHMIDT - November 1981 - A signal subspace approach to multiple emitter location and spectral estimation 2 - J.F. CARDOSO A. SOULOUMIAC - December 1993 - Blind beamforming s for non-gaussian signais IEE Proceedings-F, Vo1.140, N 6, pp. 362-370 3 - P. COMON - April 1994 - Independent Component Analysis, a new concept Elsevier - Signal Processing, Vol 36, n 3, pp 287-314 16 2868541 REVENDICATIONS 1 - Procédé de localisation d'une ou de plusieurs sources, la ou lesdites sources étant en mouvement par rapport à un réseau de capteurs, le procédé comportant une étape de séparation des sources afin d'identifier les vecteurs directeurs associés à la réponse des capteurs à une source d'incidence donnée, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: o associer les vecteurs directeurs a1p(1)m"'aKp(K)m obtenus pour le mie' 10 émetteur et respectivement pour les instants t1...tK et pour des longueurs d'onde %,p(,) 71p(k), o localiser le m1è17e émetteur à partir des composantes des vecteurs alp(1)m...aKp(K)m mesurés avec différentes longueurs d'onde. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, en considérant que pour chaque couple (tk,a,p(k)), Mk vecteurs akp(k)j (1 3 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de localisation comporte au moins les étapes suivantes: maximiser un critère de corrélation vectorielle normalisé Lk(x, y, z) dans l'espace (x, y, z) de position d'un émetteur avec bKHVK(x,y,z) LK(x,Y,z)= (bKb Yv (x,y,z)IivK(x,y, z)) (13) avec b,11 _ b(tl,2p() x,Y z) bK = = VK (xm,ym,Zm) +W K, VK (x,y,Z) = et b Km :b(tK, /t,,(K) ,x,Y,z) wK = W Km où wk est le vecteur bruit pour toutes les positions (x, y, z) d'un émetteur. s 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le vecteur bK comporte un vecteur représentatif du bruit dont les composantes sont fonctions des composantes des vecteurs atm... aKm. - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte une io étape où l'on détermine la matrice de covariance R=E[wKwKH] du vecteur bruit et en ce que l'on maximise le critère bKH R-' v, (x,Y,z) LK'(x,y,z) = ( b K{R b, 1lvK (x,Y, z)"R-1vK (x,Y, z)) 6 Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'évaluation du critère LK(x,y,z) et/ou du critère LK'(x,y,z) est récursive. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de comparaison des maximums avec une valeur seuil. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les 20 émetteurs à localiser sont mobiles et en ce que le vecteur considéré est paramétré par la position de l'émetteur à localiser et le vecteur vitesse.