Brevet FR2922051A1 — publié le 20090410

SYSTÈME D'ANTENNE EMBARQUÉ DE POURSUITE DE SATELLITE AVEC CONTRÔLE DE POLARISATION DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale les systèmes d'antenne embarqués et plus particulièrement les systèmes d'antenne réseau à commande de phase pour télécommunications 10 satellitaires. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les communications entre un aéronef civil ou militaire et le sol passent généralement par voie 15 satellitaire. On connaît notamment le système de télécommunication SATCOM mettant en œuvre une constellation de satellites géostationnaires et offrant une couverture mondiale. A la différence d'une antenne terrestre qui peut être pointée de manière fixe vers un 20 satellite géostationnaire, une antenne embarquée sur l'aéronef doit poursuivre le satellite en cours de vol et assurer constamment le pointage du faisceau vers le transpondeur utilisé pour la communication. Plusieurs types de systèmes d'antenne embarqués ont été envisagés 25 dans l'état de la technique pour permettre cette poursuite. Il est notamment connu du document US-B-6483458 d'utiliser une antenne motorisée, orientable en azimut et élévation, mettant en œuvre un balayage conique, dit encore � sequential lobing � pour pointer 30 constamment l'ouverture de l'antenne vers le transpondeur. Il est également connu, notamment des documents US-B-6650291 et WO-A-92/21162 d'utiliser une antenne réseau à commande de phase (phased array) pour un pointage électronique. L'orientation du faisceau dans la direction voulue est classiquement obtenue en appliquant un déphasage donné aux signaux à émettre par/ ou reçus de/ chaque antenne élémentaire du réseau. Un premier avantage d'une telle antenne est de permettre un pointage très rapide du faisceau, sans inertie mécanique. Un second avantage d'une telle antenne est de pouvoir être réalisée comme antenne conforme, c'est-à-dire une antenne plate, de faible épaisseur et s'adaptant à la courbure du fuselage. La plupart des satellites émettent et reçoivent des signaux selon deux polarisations orthogonales, dans certains cas à des fréquences rigoureusement identiques. Seule la polarisation permet alors de séparer les canaux de communication des différents transpondeurs. Par exemple, un premier transpondeur pourra émettre/recevoir selon une polarisation verticale, c'est-à-dire avec un champ électrique orthogonal à la surface terrestre, et un second transpondeur voisin pourra émettre/recevoir selon une polarisation horizontale, c'est-à-dire avec un champ électrique parallèle à la surface terrestre, qui permet de transmettre un second signal. Dans certains cas, les satellites géostationnaires émettent et reçoivent des signaux selon une polarisation circulaire droite ou gauche. Tout comme il est nécessaire d'assurer le pointage dynamique du faisceau vers le satellite, il est indispensable de maintenir en cours de vol la polarisation du signal transmis ou bien celle selon laquelle le signal est reçu. En effet, en cours de vol, la polarisation peut dépendre de la position et des angles de gite et de cap de l'aéronef. En particulier, pour des satellites ayant une large zone de couverture, l'orientation de la polarisation lors du déplacement de l'aéronef peut varier au sein de cette zone. Le système d'antenne embarqué décrit dans la demande WO-A-92/21162 permet un contrôle de la polarisation du faisceau. Pour ce faire, il utilise un réseau à commande de phase, comprenant des antennes élémentaires à polarisation verticale et horizontale. Un asservissement en boucle fermée commande le déphasage entre deux antennes élémentaires de manière à maintenir la polarisation du signal constante. Le système d'antenne décrit ci-dessus fonctionne correctement lorsque la boucle d'asservissement est accrochée. En revanche, dans la phase de recherche du satellite, c'est-à-dire du pointage initial, ou lors d'une commutation de satellite (handoff), il est délicat d'obtenir un faisceau d'émission ou de réception présentant d'emblée la bonne polarisation. Etant donné que des transpondeurs de satellites voisins voire des transpondeurs d'un même satellite peuvent utiliser des fréquences de réception identiques avec des polarisations distinctes, une mauvaise polarisation du faisceau d'émission lors de la phase du pointage du satellite peut conduire à une diaphonie au niveau du ou desdits transpondeur(s). De manière similaire, une mauvaise polarisation du faisceau de réception lors du pointage de ce dernier vers le satellite pourra conduire à une diaphonie au niveau du récepteur embarqué sur l'aéronef. Un premier but de la présente invention est donc de permettre un pointage rapide et précis du faisceau d'émission/réception avec une bonne polarisation initiale lors d'une phase de recherche ou de commutation de satellite. En outre, avec la croissance du trafic aérien, le taux d'occupation des transpondeurs croît de manière significative. A un instant donné, certains transpondeurs de certains satellites peuvent se trouver saturés alors que d'autres sont faiblement occupés. Un but subsidiaire de la présente invention est par conséquent de prévoir un système d'antenne embarqué qui soit capable de s'adapter à une assignation dynamique de transpondeur au cours de vol. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un système d'antenne destiné à être embarqué sur un aéronef, comprenant une antenne réseau à commande de phase constituée d'une pluralité d'antennes élémentaires contrôlables en polarisation, connectées à au moins un formateur de faisceau, le système comprenant : - un calculateur adapté à calculer des valeurs de déphasages ((pi.,9n) et des coefficients d'atténuation (av,aH) à partir d'informations de position et d'attitude de l'aéronef, des coordonnées d'un satellite de télécommunication ainsi que des caractéristiques de polarisation d'un transpondeur de ce satellite ; - des moyens de contrôle de polarisation utilisant lesdites valeurs de déphasages et les coefficients d'atténuation pour contrôler la polarisation des dites antennes élémentaires. Avantageusement, ledit système comprend un étage de modulation/démodulation RF pour moduler ou démoduler des signaux d'antennes en bande de base ou en fréquence intermédiaire, le signal de démodulation étant fourni par un VCO commandé par ledit calculateur. Le formateur de faisceau est adapté à former un faisceau en émission ou en réception au moyen d'une pluralité de déphasages (yin/ak,K/a') fournis par le calculateur, lesdits déphasages étant obtenus avantageusement par ce dernier à partir des informations de position et d'attitude de l'aéronef et des coordonnées du satellite à viser. Le formateur de faisceau en émission ou en réception opère de préférence sur le signal à émettre ou les signaux reçus en bande de base et les déphasages sont obtenus au moyen d'une multiplication complexe. Selon un mode de réalisation, le système comprend une base de données qui contient une liste des satellites géostationnaires disponibles, avec leurs coordonnées respectives, les caracteristiques de polarisation ainsi que les fréquences d'émission/ réception des différents transpondeurs de ces satellites.30 La base de données est mise à jour de manière dynamique à partir d'une base de données centrale au sol et contient une assignation en temps réel du ou des transpondeur(s) à utiliser pour l'émission et/ou la réception. Selon une variante, le système comprend un premier formateur de faisceau destiné à former un faisceau en direction du transpondeur avec lequel une communication est établie, et un second formateur de faisceau destiné à former un faisceau en direction d'un transpondeur avec lequel une communication sera établie ultérieurement. Avantageusement, l'antenne réseau du système est de type conforme. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention en référence aux figures jointes parmi lesquelles : La Fig. 1 illustre schématiquement un système d'antenne embarqué selon un mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 2 illustre une méthode de pointage de faisceau avec contrôle de polarisation selon un mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est d'utiliser les informations de position et d'attitude fournies par la centrale inertielle ou le système de navigation de l'aéronef et de calculer, en fonction de ces informations et des coordonnées du satellite à viser, les déphasages à appliquer aux signaux à émettre ou à recevoir selon deux polarisations orthogonales, de manière à obtenir la polarisation souhaitée du faisceau lors de la phase initiale de pointage du faisceau sur le satellite. La Fig. 1 représente un système d'antenne embarqué selon un mode de réalisation de l'invention. Ce système 100, comprend une antenne réseau à commande de phase 110. Avantageusement, cette antenne peut être conforme, c'est-à-dire présenter un profil plat, de faible hauteur, épousant la forme du fuselage de l'aéronef. L'antenne réseau 110 est constituée d'un arrangement d'antennes élémentaires 120, chaque antenne élémentaire pouvant être contrôlée en polarisation. L'antenne élémentaire 120 sera par exemple réalisée au moyen d'une antenne patch possédant deux sondes d'alimentation orthogonales 121, 122, de manière connue de l'homme du métier. Chaque antenne élémentaire 120 possède son propre contrôle de polarisation 130 agissant sur le déphasage et, le cas échéant, l'amplitude de chacune des voies H et V. Par exemple si l'antenne est du type patch précité, les moyens de contrôle de polarisation comprendront pour chacune des sondes orthogonales, c'est-à-dire pour chacune des voies H et V un déphaseur 131, 132 et un contrôleur d'amplitude 133, 134 par exemple un atténuateur. On notera (PH et ÇPv les déphasages appliqués respectivement sur les voies H et V. De même, on notera aH et ai, les coefficients pondérateurs respectifs sur ces deux voies. Les signaux des voies H et V sont combinés en réception avant d'être transmis à un étage RF, 140. Réciproquement, le signal d'excitation d'antenne, issue de l'étage RF, 140, est divisé en deux signaux de voie V et H pour alimenter l'antenne. L'opération de combinaison/division est réalisée par un diviseur/combineur de puissance 135. L'étage d'émission/réception RF comprend, pour chaque antenne élémentaire, un duplexeur (non représenté) ainsi qu'un module de démodulation en bande de base (non représenté) ou, le cas échéant, de translation à une fréquence intermédiaire. Le signal de démodulation en bande de base ou en bande intermédiaire est fourni par un VCO à commande numérique. La fréquence de modulation/démodulation fä est donnée par le calculateur. En émission, les signaux en bande de base sont obtenus par conversion numérique/analogique des signaux issus du formateur de faisceau en émission 151. Réciproquement, en réception, les signaux en bande de base à destination des différentes antennes élémentaires font l'objet d'une conversion numérique/ analogique avant d'être transmis au formateur de faisceau en réception 152. Les formateurs de faisceau 151 et 152 appliquent des déphasages sur les signaux de base en provenance ou à destination des différentes antennes. Avantageusement, une pondération en amplitude de ces signaux sera effectuée de manière à apodiser les lobes secondaires du faisceau en émission ou réception. Les déphasages respectifs des différents signaux peuvent être obtenus en les multipliant par des coefficients de rotation complexes, de manière connue en soi. La pondération d'amplitude et la rotation de phase des échantillons numériques complexes sont avantageusement effectuées au moyen d'une seule opération de multiplication par un coefficient complexe. Plus précisément, si sont les échantillons de signaux numériques en bande de base issus respectivement des N antennes, le formateur de N faisceau en réception effectue l'opération r= 1 ahsk où k=1 r est le signal d'antenne réseau et les a sont lesdits coefficients complexes en réception. De manière duale, pour un signal d'antenne s à transmettre, le formateur de faisceau en émission génère une pluralité N de signaux déphasés et pondérés ais,azs,...,aNS où les a , k =1,..,N sont des coefficients complexes en émission. Bien entendu, si le faisceau en émission pointe dans la même direction que le faisceau en réception, on a ak=(ak,) où . désigne la conjugaison complexe. Le calculateur 160 fournit d'une part les déphasages (P� et lpv, et les coefficients aH et av pour le contrôle de polarisation 125 et, d'autre part, les déphasages /J et yik, ou plus généralement les coefficients complexes ak,ak, pour la formation de faisceau au sein de 151 et 152. Le calculateur détermine le/les déphasage(s) de polarisation et les déphasages/les coefficients complexes pour le pointage du faisceau en fonction, d'une part, d'informations relatives au satellite, stockées dans la base de données 180 : - des coordonnées du satellite recherché, c'est-à-dire sa position sur l'orbite géostationnaire, - les caractéristiques de la polarisation utilisée par le transpondeur, par exemple verticale, horizontale, circulaire droite ou gauche, et, d'autre part, des informations de position et d'attitude de l'aéronef, par exemple ses coordonnées spatiales et ses angles de cap, de roulis et de gite, fournies par la centrale inertielle ou le système de navigation de l'aéronef, via un bus avionique classique, 170, de type Arinc 429 ou AFDX (Avionics Full DupleX). Connaissant en temps réel les informations de position et d'attitude de l'aéronef, le calculateur peut déterminer à tout instant les déphasages Wk/yik à appliquer pour le pointage du faisceau en émission/ réception vers le satellite en question. A partir de ces mêmes informations ainsi que des caractéristiques de polarisation du transpondeur, le calculateur 160 peut déterminer les coefficients de pondération aH et av ainsi que les déphasages (PH et Çp, sur les voies H et V des contrôleurs de polarisation. Ainsi, le vecteur de polarisation du faisceau peut être constamment orienté selon la direction souhaitée. La base de données 180 contient les coordonnées des différents satellites géostationnaires disponibles. Selon un mode de réalisation particulier, la base de données est mise à jour en temps réel en synchronisation avec une base de données centrale située au sol. La base de données centrale contient avantageusement l'assignation des transpondeurs aux différentes antennes d'un aéronef donné. Cette assignation peut être dynamique et notamment varier en fonction des taux d'occupation des transpondeurs. En outre, l'assignation peut dépendre de la qualité de service (QoS) contractuellement définie avec le client, autrement dit d'un profil client stocké dans la base de données. La base de données 180 contient par conséquent une assignation en temps réel du ou des transpondeur(s) à utiliser pour l'émission et/ou la réception et par conséquent du ou des satellite(s) à viser. Afin de permettre une commutation de satellite (handoff) sans rupture de service, on peut prévoir deux formateurs de faisceau distincts, un premier formateur de faisceau effectuant un pointage dans la direction du transpondeur en cours d'utilisation et un second formateur de faisceau préparant un pointage dans la direction du transpondeur qui sera utilisé. Les deux formations de faisceau sont effectuées simultanément de sorte qu'un handoff se traduit par une simple commutation des entrées (en émission) ou des sorties (en réception) respectives des formateurs de faisceau. La base de données 180 contient enfin les caractéristiques des transpondeurs des différents satellites disponibles, en particulier la fréquence, la puissance de saturation et la polarisation relatives à chaque transpondeur. Ainsi, le calculateur 160 récupère dans la base de données ou détermine à partir d'informations qui y sont stockées, l'identité du transpondeur/du satellite assigné à l'instant présent. Les caractéristiques afférentes au transpondeur assigné permettent notamment de déterminer la fréquence de modulation/démodulation fn pour la commande du VCO de l'étage RF, la puissance maximale d'émission Pnax permettant d'éviter la saturation du transpondeur, l'orientation du vecteur de polarisation. La Fig. 2 illustre un mode de réalisation de la méthode de pointage de faisceau avec contrôle de polarisation, selon un mode de réalisation de l'invention. Le pointage du faisceau comme le contrôle de polarisation comprennent deux phases, une première phase de recherche, ou de pointage initial du satellite/ transpondeur et une seconde phase de poursuite. Lors de la phase de recherche (I), le calculateur détermine en 210 les déphasages assurant le pointage du faisceau dans la direction du satellite et en 220 les déphasages et coefficients de pondération permettant d'aligner la direction de polarisation sur celle du transpondeur, compte tenu de la position et de l'attitude de l'aéronef. En 230, le/les formateur(s) de faisceau(x) 151, 152 ainsi que les circuits de contrôle de polarisation 130 sont initialisés au moyen de ces valeurs. La bonne précision du pointage initial combinée avec la bonne orientation initiale de la polarisation du faisceau permet de réduire considérablement les phénomènes de diaphonie présents dans l'état de la technique. Lors de la phase de poursuite du satellite (II), le contrôle du pointage et de la polarisation du faisceau peut être effectué, soit en boucle ouverte comme décrit précédemment, soit en boucle fermée, lorsque le système d'antenne fonctionne en mode réception. Par exemple, le système peut déterminer de manière adaptative les déphasages 1/4, et de manière plus générale des coefficients ak, en utilisant des techniques de type � monopulse � ou encore de balayage conique, connues de l'état de la technique. L'adaptation en temps réel des déphasages /i': ou des coefficients ai est réalisée de manière à maximiser le signal reçu. Alternativement, l'adaptation des coefficients peut être effectuée de manière classique à partir de séquences pilote. On pourra notamment réaliser l'adaptation des coefficients au moyen de l'algorithme du gradient, de manière à minimiser l'erreur entre séquence reçue et séquence pilote. REVENDICATIONS 1. Système d'antenne (100) destiné à être embarqué sur un aéronef, comprenant une antenne réseau à commande de phase (110) constituée d'une pluralité d'antennes élémentaires contrôlables en polarisation (120), connectées à au moins un formateur de faisceau (151, 152), caractérisé en ce qu'il comprend : - un calculateur (160) adapté à calculer des valeurs de déphasages (ÇOV,(OH) et des coefficients d'atténuation (aV,aH) à partir d'informations de position et d'attitude de l'aéronef, des coordonnées d'un satellite de télécommunication ainsi que des caractéristiques de polarisation d'un transpondeur de ce satellite ; - des moyens de contrôle de polarisation (130) utilisant lesdites valeurs de déphasages et les coefficients d'atténuation pour contrôler la polarisation des dites antennes élémentaires. 2. Système d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un étage de modulation/démodulation RF (140) pour moduler ou démoduler des signaux d'antennes en bande de base ou en fréquence intermédiaire, le signal de démodulation étant fourni par un VCO commandé par ledit calculateur. 3. Système d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que le formateur de faisceau (151, 152) est adapté à former un faisceau en émission ou en réception au moyen d'une pluralité de déphasages(y/k /ar , yik /agi ) fournis par le calculateur, lesdits déphasages étant obtenus par ce dernier à partir des informations de position et d'attitude de l'aéronef et des coordonnées du satellite à viser. 4. Système d'antenne selon la revendication 3, caractérisé en ce que le formateur de faisceau en émission ou en réception opère sur le signal à émettre ou les signaux reçus en bande de base, et que les déphasages sont obtenus au moyen d'une multiplication complexe. 5. Système d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une base de données (180) contenant une liste des satellites géostationnaires disponibles avec leurs coordonnées respectives, les caractéristiques de polarisation ainsi que les fréquences d'émission/ réception des différents transpondeurs de ces satellites. 6. Système d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la base de données (180) est mise à jour de manière dynamique à partir d'une base de données centrale au sol et qu'elle contient une assignation en temps réel du ou des transpondeur(s) à utiliser pour l'émission et/ou la réception. 7. Système d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un premier formateur de faisceau destiné à former un faisceau en direction du transpondeur avec lequel une communication est établie, et un second formateur de faisceau destiné à former un faisceau en direction d'un transpondeur avec lequel une communication sera établie ultérieurement. 8. Système d'antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne réseau (110) est de type conforme.