Brevet FR2946151A1 — publié le 20101203

PROCEDE ET SYSTEME POUR LA DETERMINATION DE LA DIRECTION D'ARRIVEE D'UNE ONDE ELECTROMAGNETIQUE DE POLARISATION QUELCONQUE La présente invention concerne un procédé et un système pour la détermination de la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique de polarisation quelconque. Elle est utilisée notamment dans le domaine de la radiogoniométrie pour des signaux dont la fréquence se situe dans les bandes très hautes fréquences VHF (� Very High Frequency �), ultra hautes fréquences UHF(� Ultra High Frequency �) ou super hautes fréquences SHF(� Super High Frequency �). L'invention s'applique, par exemple, pour des applications aéroportées, terrestres, navales ou de contrôle du spectre. La détermination de la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique ou d'un signal radioélectrique se fait le plus souvent pour une onde, ou un signal, de polarisation rectiligne verticale car la détection de cette configuration est plus simple à mettre en oeuvre. En effet pour mesurer la direction d'arrivée d'un signal de polarisation verticale, on exploite la réponse d'un réseau d'antennes dont la polarisation est également verticale. Ce type de réseau d'antennes est facilement réalisable, notamment dans le contexte aéroporté. Sur un avion il est en effet plus facile de positionner des antennes à polarisation verticale pour des raisons d'encombrement. Un problème technique que cherche à résoudre la présente invention est la détermination de la direction d'arrivée de signaux ayant une polarisation quelconque, notamment verticale, horizontale, elliptique ou circulaire, à l'aide d'un unique réseau d'antennes simple à mettre en oeuvre et compatible avec les contraintes de déploiement d'un tel réseau sur un avion. Les solutions connues permettant de traiter, avec un même système de radiogoniométrie, à la fois des émissions polarisées horizontalement et verticalement utilisent deux réseaux d'antennes distincts présentant une double polarisation. Ces structures de réseaux présentent l'inconvénient d'être coûteuses, encombrantes et peu efficaces sur les polarisations horizontales pour les plus basses fréquences. Elles nécessitent d'effectuer deux types de mesures, une pour chaque polarisation, et de déterminer un critère permettant de sélectionner le résultat, en terme de direction d'arrivée de l'onde reçue, le plus probable. Ces solutions ne sont pas compatibles d'applications aéroportées car leur encombrement est trop important. De plus, elles ne permettent pas de traiter efficacement des polarisations circulaires voire elliptiques. Un but de l'invention est de proposer une solution utilisant un seul réseau d'antennes sensible à la diversité de polarisation associé à une méthode de goniométrie adaptée à traiter la diversité de polarisation, cette solution permettant de déterminer la direction d'arrivée d'une onde de polarisation quelconque. Un autre but de l'invention est de proposer un système de radiogoniométrie compatible d'une application aéroportée. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de détermination de la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique incidente de gisement 8o, d'élévation ho, de fréquence Fo et de polarisation quelconque Po, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : o concevoir un unique réseau d'antennes à partir d'un ensemble d'éléments rayonnants dont les réponses vectorielles à deux signaux de polarisations distinctes POLI et POL2 ne sont pas colinéaires, o déterminer une première table de calibration dudit réseau d'antennes contenant les réponses vectorielles a1(F;,X) et a2(F1,X1) dudit réseau à deux fronts d'onde plans de polarisations distinctes POLI et POL2 ,pour un ensemble de fréquences F; appartenant à un intervalle donné [F1,F2] et un ensemble d'angles Xi appartenant à un intervalle donné [X1,X2], lesdits angles X étant des angles de gisement A ou des angles d'élévation h, o interpoler à ladite fréquence Fo les réponses vectorielles a, (Fo,X ) et a2(Fo,Xi) du réseau pour chaque valeur X dudit intervalle [X1,X2], o orthonormaliser lesdites réponses vectorielles a1(Fo,)Çi) et a(Fo,X) afin de produire une seconde table de calibration, dite de référence, contenant les réponses vectorielles du réseau b1(Fo, X) et b2(Fo, A) orthonormalisées, o acquérir sur ledit réseau d'antennes le signal reçu issu de ladite onde électromagnétique de gisement Ao ou d'élévation ho et de fréquence Fo et appliquer audit signal une méthode de goniométrie recevant les dites réponses vectorielles interpolées b1(Fo, X) et b(Fo, X) et produisant une estimation X0 dudit gisement Ao ou de l'élévation ho. Dans une variante de réalisation de l'invention l'étape d'orthonormalisation est effectuée à partir de la méthode de Gram-Schmidt. Dans une variante de réalisation de l'invention la table de calibration dudit réseau d'antennes est obtenue a partir d'une simulation électromagnétique des deux fronts d'onde plans de polarisation POLI et POL2. Dans une variante de réalisation de l'invention ladite méthode de goniométrie comporte les sous étapes suivantes : o calculer la matrice de covariance Rxx dudit signal reçu sur le dit réseau d'antennes, o calculer la fonction de coût C(Xi)=I 2+I I2, où U est le vecteur propre normalisé associé à la valeur propre maximum de la matrice R,x, et 1 I2 représente la norme au carré du produit scalaire entre le vecteur a transposé conjugué et le vecteur b, o rechercher le point qui maximise ladite fonction de coût et en déduire son abscisse Xo qui est une estimée de la direction d'arrivée dudit signal en gisement ou en élévation, o affiner l'estimation Xo par une interpolation quadratique locale. Dans une variante de réalisation de l'invention ladite méthode de goniométrie comporte les sous étapes suivantes : o calculer la matrice de covariance R,OE dudit signal reçu sur le dit 1 o réseau d'antennes, o calculer la fonction de coût C(X1)= I2 +I I2, où U est la première colonne normalisée de la matrice R,î, et l I2 représente la norme au carré du produit scalaire entre le vecteur a 15 transposé conjugué et le vecteur b, o rechercher le point qui maximise ladite fonction de coût et en déduire son abscisse Xo qui est une estimée de la direction d'arrivée dudit signal en gisement ou en élévation, o affiner l'estimation Xo par une interpolation quadratique locale. 20 Dans une variante de réalisation de l'invention la polarisation Po de ladite onde électromagnétique incidente et les polarisations POLI et POL2 sont des polarisations verticales, horizontales, circulaires droite, circulaires gauche ou elliptiques. 25 L'invention a également pour objet un système pour la détermination de la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique incidente de gisement Ao, d'élévation ho, de fréquence Fo et de polarisation quelconque Po ,caractérisé en ce qu'il comporte un unique réseau d'antennes composé d'une pluralité d'éléments rayonnants dont la direction de pointage est inclinée d'un angle a non nul par rapport à une direction de référence, une table de calibration dudit réseau d'antennes et un radiogoniomètre, ledit système comportant des moyens pour exécuter les étapes du procédé décrit précédemment. Dans une variante de réalisation de l'invention les éléments rayonnants composants ledit réseau d'antennes sont des éléments rayonnants simples tels que des dipôles ou des monopôles. Dans une variante de réalisation de l'invention l'angle d'inclinaison oc desdits éléments rayonnants est égal à 45°. D'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : La figure 1, un schéma d'un réseau d'antennes à diversité de polarisation selon l'invention pour une application terrestre ou marine, La figure 2, un schéma d'un réseau d'antennes présentant une diversité de polarisation pour une application aéroportée, La figure 3, le même schéma que la figure 2 mais selon une vue de profil. La présente invention utilise un unique réseau d'antennes non ambigu comportant des éléments rayonnants sensibles à deux polarisations distinctes quelconques. Dans une première étape, l'invention consiste à concevoir un tel réseau. Dans les applications les plus courantes, un réseau d'antennes n'est sensible qu'à une seule polarisation, par exemple une polarisation verticale ou horizontale, car les éléments rayonnants qui le composent sont eux-mêmes positionnés verticalement ou horizontalement. La figure 1 schématise un exemple de réseau d'antennes 101 selon l'invention qui comprend une pluralité d'éléments rayonnants 101 a,101 b qui peuvent être, par exemple, des dipôles pour le cas d'applications terrestres ou marines, ou des monopôles pour le cas d'applications aéroportées. Le réseau d'antennes 101 est disposé selon un cercle, les différents éléments rayonnants 101 a,101 b constituant ce réseau étant reliés à un mat central. La disposition des éléments rayonnants sur un cercle est mentionnée à titre d'exemple dans le cadre d'un mode de réalisation de l'invention. Cette disposition n'est nullement limitative et tout type de configuration de réseau d'antennes est également compatible de l'invention. Le réseau est représenté en vue de dessus sur la gauche du dessin et un des éléments rayonnants dudit réseau est schématisé en vue de profil sur la droite de la figure 1. Afin de le rendre sensible à la diversité de polarisation, chaque élément rayonnant 101 a,101 b est incliné d'un angle a; non nul par rapport à l'axe vertical 102 et d'un angle pi par rapport à un axe 103 tangent au cercle sur lequel sont disposées les antennes du réseau d'antennes 101. L'angle a; est préférablement égal à 45°. L'angle pi peut être quelconque, notamment égal à zéro pour rendre le réseau simple à construire. Les angles d'inclinaison (a;, pi) de chaque élément rayonnant sont indépendants et ne sont pas forcément égaux à la même valeur. Dans ce cas ledit réseau d'antennes 101 présente une réponse vectorielle non colinéaire pour deux polarisations distinctes et quelconques, c'est-à-dire que le vecteur directionnel correspondant à la réponse dudit réseau à une onde incidente de polarisation POLI ne sera pas colinéaire au vecteur directionnel correspondant à la réponse du même réseau à une autre onde incidente de polarisation POL2 différente de POLI . La figure 2 schématise le positionnement d'un élément rayonnant 204,205,206,207 sur un avion 201. Dans ce type d'application aéroportée, les éléments rayonnants utilisés sont le plus souvent des monopôles, par exemple des antennes sabre ou � blade antenna � en anglais. Une antenne sabre 204,205,206,207 est le plus souvent disposée sous le fuselage de l'avion 201 ou sous l'aile 202 de l'avion en position verticale présentant donc une sensibilité unique aux ondes incidentes polarisées verticalement. Un réseau d'antennes selon la présente invention pour une application aéroportée est composée d'antennes sabres 204 positionnées sur des semelles d'inclinaisons 203 qui permettent aux dites antennes 204 de pivoter afin d'offrir une inclinaison d'un angle a par rapport à l'axe vertical. Les éléments rayonnants 204,205,206,207 constituent ensemble un réseau d'antennes selon l'invention dans le cadre d'un mode de réalisation différent de celui illustré à l'appui de la figure 1. La figure 3 représente les mêmes éléments rayonnants 10 204,205,206,207 positionnés sur un avion 201 représenté en vue de profil. Dans une deuxième étape, l'invention consiste à déterminer la table de calibration du réseau d'antennes précédemment défini à l'appui des figures 1 et 2 pour deux polarisations différentes et quelconques qu'on 15 appellera dans la suite de la description POLI et POL2. Ces polarisations peuvent être verticales, horizontales, elliptiques ou encore circulaires droites ou gauches. Une configuration possible consiste à affecter une polarisation verticale à POLI et une polarisation horizontale à POL2, cependant tout type de combinaison utilisant un type de polarisation pour POLI et un autre type 20 de polarisation pour POL2 est possible. La calibration du réseau d'antennes peut être obtenue à partir d'une mesure sur deux signaux reçus distincts issus respectivement d'une onde dont le champ électromagnétique est polarisé selon la polarisation POLI et d'une onde dont le champ électromagnétique est polarisé selon la 25 polarisation POL2. Cette calibration consiste à déterminer la réponse vectorielle complexe, c'est-à-dire la phase et l'amplitude différentielle, de l'ensemble des éléments rayonnants du réseau d'antennes à un front d'onde plan de fréquence F; et de gisement O dont le champ électromagnétique est polarisé selon la polarisation POLI , respectivement POL2. A titre de rappel, 30 le terme gisement est utilisé en référence à l'angle formé entre l'axe de propagation d'une onde et la direction d'un point extérieur donné. Cet angle permet de définir la direction d'arrivée d'une onde. La fréquence F; et le gisement 6i varient dans des intervalles de fréquence [F1,F2] et de gisement [ei,e2] avec un pas de variation fixé a priori afin de pouvoir interpoler chacune des réponses vectorielles obtenues dans l'optique de déterminer la réponse vectorielle associée à toute fréquence et gisement inclus dans lesdits intervalles. Les intervalles [F1,F2] et [61,82] sont fixés à priori en fonction du type d'application visée. L'intervalle de fréquence est par exemple égal à une bande de fréquence standard telle la bande UHF. L'intervalle de gisement est déterminé en fonction de la plage de variation du gisement que l'on souhaite couvrir. Cette étape de calibration selon l'invention aboutit à l'obtention d'une table de calibration qui comprend, pour les deux polarisations POLI et POL2 distinctes, deux vecteurs de réponse ai(F;,M) et (F;,6i) pour l'ensemble des fréquences F; et des gisements 6i considérés. Dans une variante de réalisation, la calibration du réseau d'antennes peut être réalisée par simulation électromagnétique du comportement dudit réseau en réponse à une onde polarisée selon POLI ou POL2. Dans une troisième étape, le procédé selon l'invention consiste à interpoler en fréquence les réponses vectorielles a1(F;,8) et a2(F1,6j) précédemment déterminées afin d'obtenir, pour une fréquence Fo de fonctionnement appartenant à l'intervalle [F1,F2] considéré, les réponses vectorielles interpolées ai(Fo,6) et %(Fo,6), pour chacune des polarisations POLI et POL2 et pour tout gisement 9~. Dans une étape supplémentaire, le procédé selon l'invention consiste à orthonormaliser chaque couple de vecteurs ai(Fo, i), %(Fo,Bi)) de la table de calibration précédemment obtenue, par exemple en utilisant la méthode de Gram-Schmidt connue de l'Homme du métier. Cette étape aboutit à la génération d'une nouvelle table de calibration de référence du réseau d'antennes constituée d'une base orthonormée de vecteurs bi(Fo,M) et 122(F0,A) valables pour la fréquence Fo. Les étapes de l'invention décrites précédemment dans le cadre d'une estimation de la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique à partir d'une information de gisement Ai restent valables pour toute autre information caractérisant la direction d'arrivée telle que notamment l'élévation hk. A cet effet, l'étape de calibration décrite reste valable lorsqu'on remplace une valeur de gisement Ai par une valeur d'élévation hk Enfin, la dernière étape du procédé est la mise en oeuvre d'une méthode de goniométrie en gisement. Cette méthode consiste à acquérir les signaux radioélectriques dont on cherche à mesurer la direction d'arrivée. Cette acquisition est faite par le réseau d'antennes selon l'invention, sensible aux deux polarisations POLI et POL2, préalablement conçu. Ensuite, un dispositif de goniométrie met en oeuvre le calcul de la matrice de covariance Ro, des signaux reçus puis détermine le vecteur propre U associé à la valeur propre maximale de cette matrice R,î. Ce vecteur propre U est ensuite normalisé et utilisé pour calculer une fonction de coût C(Ai) aux points bi(Fo,Ai) et b2(Fo,Ai) précédemment déterminés. Cette fonction est donnée par la relation suivante : 2 I +I I (1) où l I2 désigne la norme au carré du produit scalaire entre le vecteur a transposé et conjugué et le vecteur b. La fonction de coût C(01) est calculée pour toutes les valeurs de gisement AQ disponibles. Le point P=C(Ao) de la fonction de coût d'abscisse Ao qui maximise cette fonction de coût correspond à l'estimée de la valeur de gisement eo indiquant la direction d'arrivée du signal reçu. Afin d'affiner la précision de l'estimation, il est souhaitable d'effectuer une interpolation C(6i) _ quadratique autour du point d'abscisse 80 afin de déterminer encore plus précisément la valeur du gisement incident recherché. Dans une variante de réalisation, le vecteur propre U associé à la valeur propre maximale de la matrice de covariance R,x peut être remplacé par la première colonne normalisée X de cette matrice, la suite des calculs amenant à l'estimation du gisement incident 8o restant inchangée. La méthode de goniométrie décrite ci-dessus est avantageusement utilisée dans le cadre de l'invention dans le but de déterminer précisément le gisement de l'onde incidente reçue. La méthode décrite n'est pas limitative, et il est entendu que toute méthode de goniométrie utilisant la diversité de polarisation d'un réseau d'antennes peut être utilisée conjointement avec ledit réseau selon l'invention et sa table de calibration de référence associée. En particulier toute méthode de goniométrie permettant de déterminer le gisement d'une onde incidente reçue par un réseau antennaire à partir des réponses vectorielles dudit réseau antennaire à deux signaux de polarisations distinctes quelconques est compatible de la présente invention. Dans une variante de réalisation, le procédé selon l'invention peut également s'appliquer à l'estimation de l'élévation ho de la source rayonnant le signal radioélectrique reçu. Dans ce cas la table de calibration contient une dimension supplémentaire correspondant à l'élévation hk. La méthode de goniométrie mise en oeuvre doit également permettre de déterminer l'élévation hk dans ce cas. L'invention présente l'avantage d'utiliser un seul réseau d'antennes constitué d'éléments rayonnants simples tels que des dipôles inclinés et un nombre de voies de réception réduit. En particulier un réseau d'antennes dédié initialement à la polarisation verticale peut être utilisé en dégradant sa polarisation croisée pour lui donner une diversité de polarisation. Ceci peut être réalisé, par exemple, en inclinant chaque élément rayonnant d'un angle de �450 par rapport à la verticale de façon à les rendre sensibles à la polarisation verticale et horizontale. De plus la méthode de goniométrie mise en oeuvre est directe, c'est à dire qu'un seul signal est acquis et traité afin de produire une estimation de la direction d'arrivée. L'invention permet de traiter efficacement tout type de polarisation même si les éléments rayonnants du réseau d'antennes utilisé ont une mauvaise polarisation croisée. L'invention présente, de plus, un avantage particulier dans un contexte aéroporté pour lequel les antennes utilisées sont généralement des monopôles de type antennes sabre prévues pour être installées et polarisées verticalement et donc ne traiter que la polarisation verticale. De plus, il n'est pas possible, compte tenu de la place disponible sur la surface d'un avion de positionner un second réseau d'antennes à polarisation horizontale, qui plus est de couverture omnidirectionnelle. L'invention, qui se base sur l'utilisation d'un seul réseau d'antennes sensible à deux polarisations distinctes présente donc un avantage considérable pour un déploiement du système visé sur un avion. Dans un contexte terrestre, l'invention est également avantageuse car 20 elle permet de disposer d'un seul réseau d'antennes à bas coût permettant de traiter tout type de polarisation. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique incidente de gisement Ao, d'élévation ho, de fréquence Fo et de polarisation quelconque Po, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : o concevoir un unique réseau d'antennes à partir d'un ensemble d'éléments rayonnants dont les réponses vectorielles à deux signaux de polarisations distinctes POLI et POL2 ne sont pas colinéaires, o déterminer une première table de calibration dudit réseau d'antennes contenant les réponses vectorielles a1(F;,X) et a2(F;,X1) dudit réseau à deux fronts d'onde plans de polarisations distinctes POLI et POL2 ,pour un ensemble de fréquences F; appartenant à un intervalle donné [F1,F2] et un ensemble d'angles Xi appartenant à un intervalle donné [X1,X2], lesdits angles X étant des angles de gisement Ai ou des angles d'élévation h;, o interpoler à ladite fréquence Fo les réponses vectorielles a1(Fo,Xi) et a%(Fo,Xi) du réseau pour chaque valeur X dudit intervalle [IÇ1,X2], o orthonormaliser lesdites réponses vectorielles a1(Fo,X) et %(Fo,X1) afin de produire une seconde table de calibration, dite de référence, contenant les réponses vectorielles du réseau b1(Fo, 2. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la table de calibration dudit réseau d'antennes est obtenue a partir d'une simulation électromagnétique des deux fronts d'onde plans de polarisation POLI et POL2. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite méthode de goniométrie comporte les sous étapes suivantes : o calculer la matrice de covariance RXX dudit signal reçu sur le dit réseau d'antennes, o calculer la fonction de coût C(X1)=I 2 +I I2, où U est le vecteur propre normalisé associé à la valeur propre maximum de la matrice et l I2 représente la norme au carré du produit scalaire entre le vecteur a transposé conjugué et le vecteur b, o rechercher le point qui maximise ladite fonction de coût et en déduire son abscisse Xo qui est une estimée de la direction d'arrivée dudit signal en gisement ou en élévation, o affiner l'estimation X0 par une interpolation quadratique locale. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite méthode de goniométrie comporte les sous étapes suivantes o calculer la matrice de covariance dudit signal reçu sur le dit réseau d'antennes, o calculer la fonction de coût Z 2 I , où U est la première colonne normalisée de la matrice R., et l I2 représente la norme au carré du produit scalaire entre le vecteur a transposé conjugué et le vecteur b, o rechercher le point qui maximise ladite fonction de coût et en déduire son abscisse Xo qui est une estimée de la direction d'arrivée dudit signal en gisement ou en élévation, o affiner l'estimation X0 par une interpolation quadratique locale. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la polarisation Po de ladite onde électromagnétique incidente et les polarisations POLI et POL2 sont des polarisations verticales, horizontales, circulaires droite, circulaires gauche ou elliptiques. 7. Système pour la détermination de la direction d'arrivée d'une onde électromagnétique incidente de gisement 80, d'élévation h0, de fréquence Fo et de polarisation quelconque Po ,caractérisé en ce qu'il comporte un unique réseau d'antennes (101) composé d'une pluralité d'éléments rayonnants (101 a,101 b) dont la direction de pointage est inclinée d'un angle a non nul par rapport à une direction de référence (102), une table de calibration dudit réseau d'antennes et un radiogoniomètre, ledit système comportant des moyens pour exécuter les étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 6. 8. Système selon la revendication 7 caractérisé en ce que les éléments rayonnants composants ledit réseau d'antennes sont des éléments rayonnants simples tels que des dipôles ou des monopôles. C(Xi)= 9. Système selon les revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison a desdits éléments rayonnants est égal à 45°.