Brevet FR2903828A1 — publié le 20080118

Procédé de synchronisation temporelle d'une forme d'onde à évasion de fréquence orthogonale et système de radiocommunications par satellite à gestion de temps de transit décentralisée. L'invention concerne un procédé de synchronisation temporelle d'une forme d'onde à évasion de fréquence orthogonale. L'invention a encore pour objet un système de radiocommunications par satellite à gestion de temps de transit décentralisée. En particulier, l'invention s'applique aux communications par satellites dont la forme d'onde met en oeuvre des techniques d'étalement de spectre et de sauts en fréquence en général, et plus particulièrement aux communications par satellite géostationnaire transparent. Un système satellite comporte d'une part un ou plusieurs satellites artificiels en orbite autour de la Terre et d'autre part un ensemble de station au sol ou station terrienne adaptée à communiquer avec les satellites dudit système. Les stations au sol comprennent l'ensemble des équipements nécessaires pour établir une liaison par satellite et notamment un ou plusieurs modems. Un système de communication par satellite doit offrir pour chaque utilisateur, une capacité réseau (c'est-à-dire une partie de la bande passante et de la puissance du satellite qui est utilisée pour établir un ou plusieurs canaux de communication) adaptée aux besoins et aux contraintes de chaque utilisateur en regard des contraintes à l'échelle du système et de son environnement. Cela implique notamment d'annuler ou de minimiser l'auto-interférence du réseau. En outre, un système de communication par satellite doit offrir une protection adaptée au besoin contre les interférences électromagnétiques. Un système de communication par satellite doit encore présenter une grande fiabilité et/ou disponibilité, en particulier vu des utilisateurs. Aussi un système de communication par satellite doit éviter autant que possible de particulariser une station vis-à-vis de la forme d'onde, la vulnérabilité de cette station mettant alors en péril l'ensemble des communications du réseau. Conjointement à ces contraintes opérationnelles, la conception d'un système de communication par satellite doit répondre à des contraintes 2903828 2 d'ordre économique, et en conséquence optimiser la simplicité de mise en oeuvre et dans la mesure du possible permettre la ré-utilisation au moins partielle de formes d'onde connue. Parmi les autres contraintes, il est encore possible de citer les contraintes de sécurité. 5 Dans un système satellite de communication commercial conventionnel, les modems des stations au sol ne sont pas protégés, même contre un faible niveau de brouillage ou d'interférence non planifiée. Dans ce cas de figure, même un faible niveau de brouillage peut provoquer une 10 rupture de service et entâcher le niveau de disponibilité du système. En revanche, la charge utile du satellite a des performances optimum, en terme notamment de facteur de qualité (G/T) et de gain opérationnel, dans un contexte d'emploi sans brouillage. 15 Dans un système satellite de communication protégé, c'est-à-dire un système dont les stations aux sols comportent des modems protégés et dont les satellites comportent des répéteurs protégés, les liaisons sont protégées contre tout brouilleur à concurrence d'un certain niveau de brouillage maximum. Ce type de système utilise pour cela à la fois une forme 20 d'onde protégée contre les perturbations électromagnétiques et des répéteurs protégés contre les perturbations électromagnétiques. La protection minimum du répéteur est assurée par un dispositif limiteur dur à bord du répéteur qui écrête tout brouilleur trop puissant et protège l'amplificateur de puissance à bord. Quant à la forme d'onde protégée, il peut 25 notamment s'agir de forme d'onde à étalement de spectre et dont les codes sont orthogonaux. En contrepartie, l'orthogonalité exige une synchronisation très précise de toutes les porteuses qui arrivent dans la même bande d'étalement au niveau du satellite, ce qui implique la mise en oeuvre de procédures d'acquisition et de maintien de synchronisation entre les 30 différentes stations au sol qui sont complexes et centralisées par rapport à un maître horaire. De surcroît, la station maître horaire constitue le maillon vulnérable du réseau car son indisponibilité entraîne l'arrêt du réseau de communication. La charge utile sécurisée du satellite constitue par ailleurs un investissement onéreux. En outre, la protection de la charge utile se fait au détriment de ses performances. 2903828 3 L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un procédé de synchronisation temporelle d'une forme d'onde comportant pour chaque 5 station : • une étape d'acquisition et de maintien de l'heure, l'heure ainsi déterminée étant une heure estimée localement à chaque station ; • une étape d'acquisition et de maintien du Temps de Transit entre la station et un satellite, le temps de transit étant estimé localement. 10 Les instants d'émission par ladite station sont déterminés en fonction de l'heure estimée localement et du temps de transit estimé localement. Dans un mode de réalisation, ladite forme d'onde est utilisée pour des liaisons via un satellite entre des stations échangeant du trafic. La forme 15 d'onde comporte des paliers dont les instants d'émission et la bande de fréquence instantanée sont déterminés par une loi préétablie de codage. Lla forme d'onde est orthogonale. L'instant d'émission d'un palier par une station est déterminé en fonction de la loi préétablie de codage, de l'heure estimée localement et du temps de transit estimé localement. 20 L'étape d'acquisition et de maintien du Temps de Transit peut être une estimation locale à tout instant du temps de transit fonction des éphémérides du satellite, de la position géographique de la station au sol et d'une heure réseau commune de référence. Les instants d'émission par 25 ladite station peuvent alors correspondre sensiblement à l'heure réseau commune de référence à laquelle est soustrait le Temps de Transit estimée. L'invention a aussi pour objet un système de radiocommunications par satellite à gestion de temps de transit décentralisée. Celui-ci comporte au 30 moins un satellite de radiocommunication, un segment sol comportant un ensemble de station au sol. Le segment sol met en oeuvre une forme d'onde protégée à évasion de fréquence orthogonale. Chaque station au sol met en oeuvre des procédures de gestion du temps de transit entre ladite station au sol et le satellite et une procédure de gestion d'heure, nécessaires au 35 respect du critère d'orthogonalité de ladite forme d'onde. 2903828 4 Dans un mode de réalisation, chaque station au sol met en oeuvre une étape d'acquisition et de maintien de l'heure, l'heure ainsi déterminée étant une heure estimée localement à chaque station au sol et une étape 5 d'acquisition et de maintien du Temps de Transit entre la station au sol et le satellite. Le temps de transit est estimé localement. Les instants d'émission par ladite station au sol sont déterminés en fonction de l'heure estimée localement et du temps de transit estimé localement. La forme d'onde est par exemple utilisée pour des liaisons via un satellite entre des stations au sol 10 échangeant du trafic. La forme d'onde peut comporter des paliers dont les instants d'émission et la bande de fréquence instantanée sont déterminés par une loi préétablie de codage, ladite forme d'onde étant orthogonale. L'instant d'émission d'un palier par une station au sol est alors déterminé en fonction de la loi préétablie de codage, de l'heure estimée localement et du 15 temps de transit estimé localement. L'invention a notamment pour avantages qu'elle permet d'améliorer significativement la disponibilité de service du système. En outre, l'invention permet de réduire le temps d'entrée sur le réseau des stations au 20 sol et de réduire le besoin en bande passante des informations de gestion du réseau. L'invention permet encore d'obtenir un silence radio sans perdre l'orthogonalité de la forme d'onde. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 25 à l'aide de la description qui suit, faite en regard des dessins annexés qui représentent : • les figures 1 a et 1 b, un système satellite protégé contre les perturbations électromagnétiques selon l'état de l'art ainsi qu'un 30 exemple de code d'étalement à évasion de fréquence et la loi temps fréquence associée mise en oeuvre par ledit système protégé ; • la figure 2, par un synoptique, un système de radiocommunications par satellite à gestion de temps de transit décentralisée selon 35 l'invention ; 2903828 5 • la figure 3, par un synoptique, un procédé de synchronisation temporelle d'une forme d'onde à évasion de fréquence orthogonale selon l'invention. 5 Les figures 1 a et 1 b illustrent un système satellite protégé contre les perturbations électromagnétiques selon l'état de l'art ainsi qu'un exemple de code d'étalement à évasion de fréquence ainsi que la loi temps fréquence associée mise en oeuvre par ledit système protégé. Le système satellite 10 selon l'état de l'art comporte un satellite 15. Le satellite 15 peut être un satellite géostationnaire comportant un ou plusieurs répéteurs transparents. Ces répéteurs transparents peuvent en outre être protégés contre les perturbations électromagnétiques. Le système satellite selon l'état de l'art comporte encore des stations au sol 10, 20. Les stations au sol 10, 20 15 comportent notamment des moyens d'émission et de réception électromagnétique et des modems permettant de générer et décoder des formes d'ondes protégées contre les perturbations électromagnétiques. II peut notamment s'agir de formes d'onde à étalement de spectre, comme par exemple la forme d'onde désignée par l'acronyme anglo-saxon OFHMA pour 20 Orthogonal Frequency Hopping Multiple Access . Les stations au sol 10, 20 peuvent établir des liaisons de communication entre elles via le satellite 15 pour échanger du trafic. Sur la figure la est représenté un diagramme présentant un code d'étalement à évasion de fréquence utilisé par la forme d'onde employé pour protéger les liaisons entre les stations au sol 10, 20. Le 25 diagramme comporte un axe des abscisses 1 représentant le temps alors que l'axe des ordonnées 3 représente la fréquence. Sur le diagramme tel que représenté, il existe trois porteuses de trafic. Ainsi, sont représentés trois codes différents, encore appelés paliers, 2a, 2b et 2c correspondant à trois porteuses de trafic différentes. Par exemple, les émissions d'une première 30 station au sol 10, 20 peuvent utiliser les codes ou palier 2a, les émissions d'une seconde station au sol 10, 20 peuvent utiliser les codes ou palier 2b et 2c. Chaque palier 2a, 2b, 2c occupe à un instant donné une bande de fréquence distincte comprise dans l'ensemble d'une bande de fréquence allouée appelé bande d'étalement BE. A un instant donné, il n'y a pas 35 recouvrement de la bande de fréquence utilisée par les différents pallies 2a, 2903828 6 2b, 2c. Les paliers 2a, 2b, 2c ont une certaine durée fixée en fonction des caractéristiques souhaitées pour la forme d'onde. A la fin de cette durée, et après une durée TP appelée trou de palier, de nouveaux paliers 2a, 2b, 2c répondant aux mêmes critères que ceux décrits précédemment sont 5 attribués. Cependant, chaque palier 2a, 2b, 2c n'occupe plus nécessairement la même bande de fréquence instantanée. Une loi préétablie de codage est utilisée pour déterminer la bande de fréquence instantanée BI occupée à chaque instant par les paliers 2a, 2b, 2c. Ainsi chaque station au sol 10, 20 établissant une liaison via le satellite code ainsi le signal comportant le trafic 10 à émettre selon une telle loi préétablie de codage. Chaque station au sol 10, 20 à qui est destiné le trafic doit décoder le signal reçu selon une telle loi préétablie de codage. C'est pourquoi étant donné que la loi de codage dépend non seulement de la fréquence mais encore du temps il est absolument nécessaire que toutes les stations au sol 10, 20 partageant la 15 même loi préétablie de codage soit synchronisées. Le critère d'orthogonalité de la forme d'onde est un critère de précision temporelle des paliers 2a, 2b, 2c. Aussi, l'ensemble de paliers 2a, 2b, 2c doivent être reçus par l'ensemble des stations au sol partageant la même loi préétablie de codage de manière synchrone avec une précision Ah inférieur à la durée TP des trous de paliers. 20 Aussi, si l'on souhaite renforcer la capacité de la forme d'onde à l'égard des perturbations électromagnétiques, il est souhaitable d'augmenter le nombre de paliers 2a, 2b, 2c par seconde, et réduire la durée TP des trous de paliers. Or, plus la durée TP des trous de paliers est faible et plus le critère d'orthogonalité s'avère délicat à remplir. L'orthogonalité exige une 25 synchronisation très précise de toutes les porteuses qui arrivent dans la même bande de fréquence d'étalement BE au niveau du satellite 15. Ce problème est résolu, dans les systèmes de communication par satellites de l'état de l'art, par la mise en oeuvre de procédures d'acquisition et de maintien de synchronisation entre les différentes stations au sol 10, 20. Ainsi 30 une boucle longue supportée par des liaisons 11, 12 asservit les systèmes horaires présents dans chaque station au sol dite esclave 10 à un système horaire de référence centralisé dans une station au sol dite maître 20. II en résulte que, bien que ce système permet d'atteindre des performances de résistance vis à vis des perturbations électromagnétiques très élevée, les 35 procédures de synchronisation temporelle par voie radio et les procédures 2903828 7 opérationnelles d'entrée dans le réseau sont complexes ou longues à cause de la forme d'onde centralisée de type maître-esclave. De plus, cette solution est consommatrice de ressources spatiales. 5 La figure 2 illustre un système de radiocommunications par satellite à gestion de temps de transit décentralisée selon l'invention. Le système selon l'invention comporte une constellation de satellites de radiocommunication 30. Dans la description et sur la figure 2, un seul satellite est représenté. Cependant, l'invention s'applique à tout système 10 satellitaire comportant autant de satellites 30 que nécessaire. Le satellite 30 ne comporte pas nécessairement de répéteur transparent protégé contre les perturbations électromagnétique. En outre, le satellite 30 peut être un satellite géostationnaire de radiocommunication ordinaire, opéré par exemple par un opérateur de télécommunication. Le segment sol comporte un 15 ensemble de station au sol 31. Le segment sol met en oeuvre une forme d'onde protégée à évasion de fréquence orthogonale. La vitesse de saut de fréquence peut éventuellement être réduite par rapport à la vitesse de saut de fréquence d'un système protégé selon l'état de l'art. A la différence des systèmes protégés selon l'état de l'art, les procédures de gestion d'heure et 20 de synchronisation nécessaires au respect du critère d'orthogonalité ne sont pas centralisées sur une station au sol maître 20. Selon l'invention, chaque station au sol 31 met en oeuvre de manière autonome et donc décentralisée des procédures de gestion du temps de transit TT entre ladite station au sol 31 et le satellite 30. Quant à la procédure de gestion d'heure, elle est soit 25 décentralisée soit centralisée. Dans un mode de réalisation, la gestion d'heure est décentralisée. Cela signifie qu'il est de la responsabilité de chaque station au sol 31 d'acquérir et de maintenir sa synchronisation d'heure et de temps de transit. 30 L'heure peut alors être obtenue soit localement, par exemple grâce à un dispositif GPSIGNSS ou une horloge atomique, soit par voie radio à l'initiative de la station au sol 31 de façon automatique et transparente pour l'opérateur qui interroge l'une des stations du réseau et obtient l'heure par voie radio par une procédure bilatérale qui compense le temps de 35 propagation. 2903828 8 Dans un autre mode de réalisation, la gestion d'heure est centralisée. Cela signifie qu'il est de la responsabilité de chaque station au sol 31 d'acquérir et de maintenir sa synchronisation de temps de transit mais il est de la responsabilité d'une station maître horaire 31 de garantir la 5 synchronisation horaire de toutes les stations au sol 31 du segment sol. L'heure est diffusée par un maître de manière synchrone ou asynchrone sous forme d'une balise permanente ou périodique. Le maître de l'heure doit compenser son temps de transit pour émettre sa balise. Les stations au sol 31 recopient l'heure de la station au sol maître horaire, entâchée de deux 10 biais: l'erreur d'estimation de temps de transit montant et l'erreur d'estimation de temps de transit descendant. Quelle que soit la gestion d'heure utilisée, le temps de transit est calculé localement, par exemple grâce aux trois paramètres d'entrée d'un algorithme de calcul d'orbitographie connu de l'homme du métier : 15 • les éphémérides du satellite 30, données initiales qui peuvent être rafraîchies tous les mois par exemple ; • la position géographique de la station au sol 31 dans uni repère géodésique donné ; • l'heure universelle UTC, qui peut être déduite de l'heure de la 20 station. La figure 3 illustre un procédé de synchronisation temporelle d'une forme d'onde à évasion de fréquence orthogonale selon l'invention. Le procédé selon l'invention comporte pour chaque station au sol 31 une étape 25 40 d'acquisition et de maintien de l'heure et une étape 41 d'acquisition et de maintien du Temps de Transit TT entre une station au sol 31 et un satellite 30. Ces étapes sont mises en oeuvre de manière continue au sein de chaque station au sol 31 afin de mettre à jour en permanence lesdits paramètres. L'étape 40 de procédure d'acquisition et de maintien d'heure peut être mis 30 par les moyens illustrés à la figure 2. A l'issue de l'étape 40, la station au sol 31 dispose d'une heure estimée locale à tout instant, souffrant toutefois d'une certaine incertitude maximale +/- AT par rapport à l'heure de référence du réseau (laquelle est définie au niveau du satellite). A l'issue de l'étape 41, la station au sol 31 dispose du Temps de Transit localement estimé entre 35 ladite station 31 et le satelitte 30. Le temps de transit localement estimé à 2903828 9 tout instant souffre d'une certaine incertitude maximale +/-At par rapport au vrai temps de transit instantané. La valeur de ces deux incertitudes maximales AT et At est dimensionnant pour calculer la tolérance de dispersion temporelle +1- a des instants d'arrivée des paliers 2a, 2b, :2c voies 5 montantes du réseau sur le satellite. En effet, cette valeur de dispersion 2a doit être majorée par la durée du trou de palier TP de manière à annuler l'auto interférence de la forme d'onde protégée. L'état de l'art donne un certain ratio entre la durée palier et la durée du temps mort en début de palier (qui est la somme de plusieurs temps élémentaires : temps de 10 changement de fréquence, de mise en forme descendante et montante, éventuellement temps de montée en puissance de l'amplificateur). En conséquence, la vitesse de saut maximum autorisée sera une fonction des incertitudes maximum de synchronisation temporelle (heure et temps de transit). A partir de l'estimation locale du temps de transit et de l'heure, et en 15 fonction de la loi préétablie de codage de la forme d'onde, chaque station peut alors émettre le palier local 2a, 2b, 2c à l'instant prévu. Dans un mode de réalisation, l'étape 41 d'acquisition et de maintien du Temps de Transit -n est une estimation locale à tout instant du temps de transit connaissant les éphémérides du satellite 30, la position géographique de la station au sol 31 20 et d'une heure réseau commune de référence Href. Cette estimation locale permet d'émettre le palier local 2a, 2b, 2c à l'instant Href-TT de manière à ce que tous les paliers 2a, 2b, 2c arrivent synchrones sur le satellite 30 à l'heure Href +1- a avec une tolérance a_max compatible du trou de palier TP de la forme d'onde. La tolérance a_max est fonction des 5 imprécisions suivantes : 25 i. incertitude locale sur la connaissance de Href ; ii. incertitude locale sur la position géographique ; iii. imprécision des éphémérides satellites utilisées pour le calcul du temps de transit TT; iv. biais introduit par le procédé de calcul de temps de transit TT qui 30 correspond à une modélisation de la trajectoire de l'orbite (il s'agit souvent d'une ellipse képlérienne, alors que le vrai plan de la trajectoire se déplace sous l'effet du champ gravitationnel terrestre non centripète à cause de la forme aplatie du géoïde) ; 2903828 10 v. variation du temps de transit TT depuis le dernier instant de rafraîchissement du calcul jusqu'à l'instant d'emploi de l'estimée de temps de transit TT pour émettre. Le premier poste i) d'incertitude dépend du type de gestion d'heure, 5 centralisée ou décentralisée. Par exemple, pour une gestion d'heure décentralisée à base de récepteur GPS ou équivalent, on peut atteindre une précision de +1- 1 s. Si on veut s'affranchir du GPS, on revient à une distribution d'heure par voie radio dont la précision peut varier de 1 s à 10 s selon la procédure employée. Le deuxième poste ii) d'incertitude est 10 compris entre 1 et 10 km soit une incertitude de 3.3 s à de 33 s en bord de zone. Pour une plate-forme fixe, la précision géographique de 1 km est facilement atteinte, grâce à toute méthode de localisation. Le troisième poste iii) d'incertitude est compris entre 500 m et 4 km soit une incertitude de 1.6 s à 13.2 s. En effet, les éphémérides satellite permettent de prédire la 15 position du satellite 30 à tout instant et avec une incertitude Delta_distance de quelques km typiquement. Ceci dépend de l'inclinaison du satellite, de la période de rafraîchissement des paramètres orbitaux, du biais initial sur les éphémérides, de la présence ou non d'une manoeuvre de maintien à poste du satellite par la SCS (station de contrôle du satellite) et de l'algorithme de 20 calcul de mécanique céleste utilisé pour déduire la distance station terrestre-satellite, toute chose étant connue par ailleurs (position géographique de la station dans un repère géodésique donné, heure UTC courante). Le cinquième poste v) d'incertitude glisse à raison de 1 ns/s/degré d'inclinaison/degré de latitude au centre du huit du satellite 30. En effet la 25 variation maximum de la sinusoïde de TT de période 24 heures est de 81 ns/s pour une inclinaison de 3 et pour une latitude maximum de 81 soit la limite de visibilité optique dans le méridien du satellite. Si on rafraîchit le calcul de temps de transit TT qui sert à asservir l'heure d'émission Hémi, alors la dérive vaut au maximum, en limite de couverture globale et pour 3 30 d'inclinaison, 2 s. La contrainte d'orthogonalité impose que le double de la somme des 5 postes ci-dessus n'excède pas la durée du trou de palier de la forme d'onde. Dans un mode de réalisation, le procédé de synchronisation 35 temporelle d'une forme d'onde selon l'invention est utilisé pour la 2903828 11 synchronisation d'une forme d'onde répondant à la norme ETSI DVB-RCS (selon l'expression anglo-saxonne Digital Video Broadcast - Return Channel System). La norme DVB-RCS définit notamment une voie de retour. Cette voie de retour peut alors être supportée par une forme d'onde à évasion de 5 fréquence orthogonale, afin de partager la capacité montante. REVENDICATIONS 1. Procédé de synchronisation temporelle d'une forme d'onde caractérisé en ce qu'il comporte pour chaque station (31) : • une étape (40) d'acquisition et de maintien de l'heure, l'heure ainsi déterminée étant une heure estimée localement à chaque station 5 (31) • une étape (41) d'acquisition et de maintien du Temps de Transit (TT) entre la station (31) et un satellite (30), le temps de transit (TT) étant estimé localement ; les instants d'émission par ladite station (31) étant déterminés en fonction de 10 l'heure estimée localement et du temps de transit (TT) estimé localement. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite forme d'onde est utilisée pour des liaisons via un satellite (30) entre des stations (31) échangeant du trafic, ladite forme d'onde comportant des paliers (2a, 2b, 2c) 15 dont les instants d'émission et la bande de fréquence instantanée (BI) sont déterminés par une loi préétablie de codage, ladite forme d'onde étant orthogonale, l'instant d'émission d'un palier par une station (31) étant déterminé en fonction de la loi préétablie de codage, de l'heure estimée localement et du temps de transit (TT) estimé localement. 20 3. Procédé selon l'une des quelconques revendications 1 à 2 caractérisé en ce que l'étape (41) d'acquisition et de maintien du Temps de Transit (TT) est une estimation locale à tout instant du temps de transit fonction des éphémérides du satellite (30), de la position géographique de la station (31) 25 et d'une heure réseau commune de référence (Href). 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que les instants d'émission par ladite station (31) correspondent sensiblement à l'heure réseau commune de référence (Href) à laquelle est soustrait le Temps de 30 Transit (TT) estimée. 5. Système de radiocommunications par satellite à gestion de temps de transit décentralisée caractérisé en ce qu'il comporte au moins un satellite de radiocommunication (30), un segment sol comportant un ensemble de station se- 2903828 13 au sol (31), le segment sol mettant en oeuvre une forme d'onde protégée à évasion de fréquence orthogonale, chaque station au sol (31) mettant en oeuvre des procédures de gestion du temps de transit (TT) entre ladite station au sol (31) et le satellite (30) et une procédure de gestion d'heure, nécessaires au respect du critère d'orthogonalité de ladite forme d'onde.