Brevet FR2946482A1 — publié le 20101210

Procédé de détection d'un message émis par un interrogateur ou un répondeur en mode S La présente invention concerne un procédé de détection d'un message émis par un interrogateur ou un répondeur en mode S. L'invention s'applique notamment au décodage de messages d'interrogation portés par des signaux de faible puissance. Les aéroports sont généralement équipés de radar secondaires pour interroger les aéronefs évoluant dans leur proximité. Les aéronefs traitent les messages interrogations émis à partir du sol grâce à des répondeurs embarqués. Classiquement, les radars secondaires sont équipés d'antennes directives pointées en direction des aéronefs à interroger, de manière à concentrer la puissance des signaux porteurs des messages d'interrogation et à faciliter ainsi leur traitement à bord. Un problème de décodage des messages d'interrogation se pose lorsque l'on souhaite réduire la puissance des signaux émis par les radars secondaires ou que l'on tente de décoder ces signaux à une distance plus élevée que la distance initialement prévue. Par exemple, il peut être souhaitable d'élargir la zone couverte par un radar au sol sans augmenter la puissance des signaux émis ; on peut également souhaiter émettre des messages d'interrogation à partir du sol avec une antenne omnidirectionnelle vers un aéronef. La puissance reçue par le répondeur est alors insuffisante pour pouvoir décoder les messages avec les équipements actuels. Pour compenser les pertes en bilan de liaison entre l'interrogateur et le répondeur, il est possible d'augmenter la puissance de l'interrogateur. Cette solution est toutefois rarement applicable pour des raisons de contraintes opérationnelles et/ou de coût d'installation, car elle nécessite des modifications matérielles importantes. Parmi les formats de messages d'interrogation existants, le mode S est plus particulièrement concerné, car il s'agit d'un mode sélectif d'interrogation largement utilisé dans l'aviation civile. Un message au format mode S, représenté en figure 1, comprend un préambule 101 suivi par une inversion de phase 103 et des données 105 transmises par modulation de phase différentielle, laquelle modulation sera désignée dans la suite du document, par le sigle anglo-saxon DPSK signifiant � Differential Phase Shift Keying �. Le préambule 101 comprend deux impulsions 111, 112 séparées temporellement par une durée connue. Un brevet américain publié sous la référence US5089822 présente une méthode de détection du préambule d'un message d'interrogation en mode S effectuant une comparaison entre un motif attendu de deux impulsions avec un seuillage du signal reçu. Cependant, l'utilisation de cette méthode conduit à de nombreuses fausses détections lorsque le niveau signal à bruit du signal reçu est faible. Ce même brevet US5089822 ~o propose de détecter l'inversion de phase 103. Toutefois, cette simple détection d'inversion de phase peut se révéler imprécise pour une synchronisation temporelle servant à effectuer un décodage correct des données 105. Un but de l'invention est notamment d'améliorer la sensibilité des 15 répondeurs pour le décodage des interrogations en mode S sans modification matérielle de ces répondeurs. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de détection d'un message pourvu d'un préambule à plusieurs impulsions dans un signal radiofréquences émis par un interrogateur ou un répondeur en mode S, ledit procédé exécutant une étape de décomposition 20 dudit signal en un signal d'amplitude et en un signal de phase complexe, ledit procédé exécutant une étape de détection dudit préambule en corrélant le signal d'amplitude avec un signal de réplique des impulsions attendues, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il exécute une étape de contrôle de phase en sommant des échantillons dudit signal de phase pendant la durée 25 d'écoulement des impulsions dudit préambule et en comparant la somme obtenue à un seuil. Le procédé selon l'invention permet notamment de réduire la puissance d'émission des systèmes d'interrogation, et donc de réduire la taille et la consommation d'énergie du système d'interrogation, mais 30 également de diminuer le nombre fausses détections de préambules. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le préambule du message est suivi par un bloc de données codées par modulation de phase différentielle et le procédé comprend une étape de synchronisation temporelle par corrélation du signal de phase complexe avec une séquence de référence formée par un ou plusieurs bits connus avant le décodage des données. Le séquence de référence peut comprendre au moins un bit d'inversion de phase et cinq bits identifiant le format du message de mode S. En outre, la séquence de référence peut comprendre des bits de données non consécutifs. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape de contrôle de phase vérifie que la phase du signal reçu varie selon une sinusoïde en démodulant le signal de phase complexe en une composante réelle I et une composante imaginaire Q puis en comparant avec un seuil la somme de plusieurs échantillons prélevés pendant les impulsions sur chacune des composantes I, Q. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le message est un message d'interrogation en mode S et le signal de réplique corrélé avec le signal d'amplitude comprend deux impulsions, chacune de durée sensiblement égale à 0,8 ps, lesdites impulsions étant espacées temporellement par une durée de 2 ps. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le message est un message de réponse en mode S et le signal de réplique corrélé avec le signal d'amplitude comprend quatre impulsions, chacune de durée sensiblement égale à 0,5 ps. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape de contrôle de phase n'est exécutée que si un préambule a été observé lors de l'étape de détection du préambule. Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le niveau de seuil pour la détection du préambule est déterminé en fonction du niveau de bruit du signal et/ou de l'amplitude maximale du signal d'amplitude. L'invention a également pour objet un répondeur comportant au moins une antenne et un module frontal radiofréquences, le répondeur comportant une unité de traitement de mise en oeuvre du procédé tel que décrit plus haut. 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 la, un graphique représentant l'allure d'un message d'interrogation en mode S, cette figure ayant déjà été présentée plus haut ; - la figure 1 b, un graphique représentant l'allure d'un message de réponse en mode S ; - la figure 2a, un synoptique illustrant les étapes d'un premier procédé selon l'invention ; - la figure 2b, un synoptique illustrant les étapes d'un deuxième procédé selon l'invention ; - la figure 3, un synoptique illustrant des étapes exécutées par le procédé selon l'invention pour détecter le préambule d'un message d'interrogation en mode S ; - la figure 4, un graphique illustrant une première étape de détection du préambule par le procédé selon l'invention ; - la figure 5, un synoptique illustrant les étapes effectuées pour contrôler la phase du signal dans la détection du préambule. Dans un souci de clarté, les mêmes repères dans des figures différentes désignent les mêmes éléments. On se réfère maintenant à la figure 2a, laquelle présente un synoptique illustrant les étapes d'un premier procédé selon l'invention. On souhaite décoder les données d'un message d'interrogation du mode S porté par un signal radiofréquences 201 reçu, par exemple, par l'antenne 200a d'un répondeur. Le signal radiofréquence 201 est ramené en fréquence intermédiaire par un module frontal 200b, puis le signal en fréquence intermédiaire 203 est échantillonné et décomposé, par exemple par un amplificateur logarithmique 230, en deux signaux distincts 205, 207, le premier desquels 205 portant l'information d'amplitude, le second signal 207 portant l'information de phase. Le premier signal 205 est un signal numérique d'amplitude pouvant être exprimé sur une échelle logarithmique, ce premier signal 205 étant désigné ci-après par l'expression � signal vidéo � 205, le second signal étant un signal de phase 207 dont l'amplitude est unitaire, ce second signal étant désigné ci-après par l'expression � signal en fréquence intermédiaire �. Lors d'une première étape 211, le signal vidéo 207 est analysé par un module 240 de détection du préambule du message de mode S. Cette 5 première étape 211 est détaillée plus loin en figure 3. Lors d'une deuxième étape 212, un test 221 est effectué pour savoir si un préambule a été détecté par le module de détection 240. Si aucun préambule n'est détecté, le signal n'est pas traité comme un message d'interrogation en mode S. Le procédé s'arrête 222. 10 A contrario, si un préambule a été détecté par le module de détection 240, une troisième étape 213 de contrôle de phase est exécutée. A ce stade, le signal est détecté comme portant un message d'interrogation en mode S, mais il est néanmoins possible qu'il s'agisse d'une fausse détection. Lors de cette troisième étape 213, le signal est analysé par un module 250 15 de contrôle de phase permettant de déterminer si l'évolution de la phase du signal est cohérente avec celle qui est attendue pour un préambule de message en mode S. Contrairement à un procédé classique pour lequel une première étape de détection du préambule engendrerait de nombreuses fausses détections non corrigées à bas niveau de puissance, la troisième 20 étape 213 de contrôle de phase telle qu'exécutée par le procédé selon l'invention permet d'éliminer les fausses détections générées lors de la première étape 211. La troisième étape 213 est détaillée plus loin en figure 5. Lors d'une quatrième étape 214, un deuxième test 223 est exécuté pour déterminer si, compte tenu du résultat obtenu par le module 25 250 de contrôle de phase, le module 240 de détection du préambule avait effectué une fausse détection. Si tel est le cas, le procédé s'arrête 224. Dans le cas contraire, c'est à dire si le deuxième test 223 indique que contrôle de phase a confirmé le fait que le signal traité était bien un signal portant un message d'interrogation en mode S, alors une cinquième 30 étape 215 de décodage des données du message est effectué par un module 260 approprié. Le procédé selon l'invention peut être adapté à la détection du préambule d'un message de réponse en mode S, ce type de message comportant quatre impulsions 101a, 101b, 101c, 101d, comme illustré dans la figure lb. Sans sortir du cadre de l'invention, le procédé est applicable à des messages comportant un nombre différent d'impulsions. La figure 2b présente un synoptique illustrant les étapes d'un deuxième procédé selon l'invention. Selon le mode de mise en oeuvre présenté dans cette figure, la détection du préambule 240 et le contrôle de phase 250 sont exécutés en parallèle. Le résultat de la détection 240 et du contrôle de phase 250 sont combinés 227 et testés 225. Ce test 225 conduit à l'arrêt 226 du procédé si la détection du préambule 240 et/ou le contrôle de phase 250 n'indique pas l'observation d'un préambule. Dans le cas contraire, le décodage des données du message est effectué par un module 260 approprié. Les étapes du procédé selon l'invention peuvent être exécutées par une unité de traitement 270, par exemple un circuit programmable ou un microprocesseur exécutant un module logiciel. La figure 3 illustre, à travers un synoptique, des étapes exécutées 15 par le procédé selon l'invention pour détecter le préambule d'un message d'interrogation en mode S. Le signal vidéo 205 est transmis vers un module 301 d'estimation du niveau de bruit et vers un module 302 d'estimation de l'amplitude maximale du signal vidéo 205. Le signal vidéo 205 est ensuite traité par un 20 module 303 de normalisation, le facteur de normalisation appliqué sur le signal vidéo 205 étant choisi en fonction du niveau de bruit estimé et de l'amplitude maximale du signal vidéo. Un but de cette normalisation est d'exprimer le signal vidéo sur une dynamique-constante. Le signal vidéo normalisé 205' est ensuite transmis à un 25 corrélateur 304 recevant en entrée un motif 306 à corréler avec le signal normalisé 205'. Ce motif pour le mode S prend la forme, par exemple, de deux impulsions carrées d'une durée de 0,8 ps séparées par une durée de 2 ps. Le pic de corrélation 310 est ensuite comparé 305 à un seuil fixe 307. Si le résultat de cette comparaison indique que le pic de corrélation 310 est en 30 deçà du seuil 307, alors le signal vidéo 205 est considéré comme ne contenant pas le préambule recherché. Selon un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le signal n'est pas normalisé et le niveau de seuil 307 est ajusté en fonction des niveaux de bruits estimés et/ou de l'amplitude maximale du signal vidéo 205. La figure 4 illustre, par un graphique, la détection du préambule par les étapes sus décrites. Les impulsions 411, 412 détectées par le procédé selon l'invention et le niveau de bruit moyen estimé 413 sont représentés sur la figure 4. Séquentiellement ou parallèlement au traitement du signal vidéo 205, le signal de phase 207 issu de la décomposition amplitude/phase est contrôlé. La figure 5 illustre, à travers un synoptique, les étapes effectuées pour contrôler la phase du signal. Dans l'exemple où l'on recherche le préambule d'un message d'interrogation de mode S, les étapes de contrôle de phase permettent de vérifier que le signal radiofréquences 201 reçu (figure 2a) est, au niveau des impulsions 411, 412 du préambule, un sinus de fréquence 1030 MHz avec un écart de plus ou moins 10 kHz. La fréquence du signal de phase 207 en fréquence intermédiaire est par exemple de l'ordre de 60 MHz. II est démodulé en deux composantes en bande de base : la composante I pour la partie réelle du signal de phase et la composante Q pour la partie imaginaire. Plusieurs échantillons prélevés sur la composante I sont sommés pendant la durée de la première impulsion 411 et pendant la durée de la deuxième impulsion 412 du préambule précédemment détecté (cf. figures 3 et 4). Dans l'exemple, K échantillons 501 sont prélevés pendant l'écoulement de la première impulsion 411 et K échantillons 501' sont de nouveau prélevés pendant l'écoulement de la seconde impulsion 412. Les K premiers échantillons correspondant à la première impulsion 411 sont sommés avec les K échantillons correspondant à la seconde impulsion puis cette somme S, de 2K échantillons est normée 502. Si l'on devait représenter la phase du signal sur un cercle trigonométrique, les échantillons seraient prélevés sensiblement au même endroit sur ce cercle. Les symboles � Z-' � sur la figure représentent les retards égaux à la période d'échantillonnage. A titre d'exemple, la fréquence d'échantillonnage peut être égale à 20 MHz. Un traitement analogue est effectué pour la composante Q, de sorte à obtenir la somme SQ de 2K échantillons prélevés sur la composante Q pendant l'écoulement des deux impulsions 411, 412. Les sommes SI, SQ sont ensuite normalisées et sommées 504 35 entre elles, et le résultat Cç, de cette sommation 504 est ensuite comparé 506 à un seuil déterminé à partir, par exemple, de D échantillons prélevés en dehors des impulsions 411. La valeur Cq, peut, par exemple, être exprimée comme suit : K-1 K-1 2 K-1 K-1 2 C~(n)= iz EI(nù j)+EI(nùKùDù j) + Q(n- j)+EQ(nùKùDù j) K i=o i=o i=o i=o où I(t) désigne un échantillon de la composante I à l'instant t, Q(t) désignant un échantillon de la composante Q à l'instant t. Si à la suite du contrôle de phase 250, il s'avère qu'un préambule de message de mode S a bien été détecté, alors la phase de décodage des données (cinquième étape 215 dans les figures 2a et 2b) peut débuter. Les données sont transmises sous la forme d'une impulsion longue notée P6 et modulée en DPSK. Le début de cette impulsion longue P6 est marqué par une inversion de phase de synchronisation, puis les éléments de données (les bits) sont transmis successivement, chacun de ces bits, dans l'exemple, étant d'une durée de 0,25 bas. Les bits de données � 1 � sont indiqués par une inversion de phase tandis que les bits de données � 0 � sont marqués par un maintien de la phase du signal. Contrairement à un procédé classique dans lequel l'inversion de phase de synchronisation est détectée isolément, le procédé selon l'invention permet de fiabiliser et de rendre plus précis la localisation du bloc de données dans le signal en corrélant une séquence de référence longue avec le signal en fréquence complexe (I,Q). Plus précisément, un message de mode S comprend au début un champ identifiant le format utilisé pour la communication. Pour les messages d'interrogation, ce champ de données est qualifié par � UF � signifiant � Uplink Format � et est codé sur 5 bits. Or le format utilisé pour l'interrogation est connu à l'avance, ce qui permet de corréler une séquence de référence comportant au moins l'inversion de phase de synchronisation et les bits du champ UF. La recherche d'une séquence de référence plus longue dans le signal permet notamment de localiser dans le signal le début de l'impulsion P6 de données avec une plus grande précision. En outre, si d'autres bits de données sont connus, alors ceux-ci peuvent être inclus dans la séquence de corrélation, de manière à allonger la séquence et par conséquent à fiabiliser encore davantage le procédé. Les bits de la séquence de corrélation ne sont pas nécessairement tous consécutifs. Le critère de corrélation CK peut, par exemple, être exprimé comme suit : où x(n) représente un échantillon du signal, d(n) représentant un échantillon de la séquence de corrélation et L la longueur de la séquence de corrélation. Enfin, le niveau du pic de corrélation obtenu à l'issue de cette étape de corrélation avec une séquence de référence peut également constituer un indice de fiabilité de la détection du message de mode S. 10 Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre dans un composant programmable, par exemple un FPGA, sigle anglo-saxon signifiant � Field-Programmable Gate Array �. Avantageusement, un FPGA déjà présent dans un répondeur peut être reprogrammé pour exécuter les étapes du procédé selon l'invention, aucune modification matérielle n'étant 15 alors à effectuer pour mettre en oeuvre l'invention. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir, pour une détection effectué à distance équivalente, un gain de puissance de l'ordre de 6 dB par rapport à la puissance obtenue avec les procédés classiques. Autrement dit, à puissance équivalente, le procédé selon l'invention permet de décoder des 20 messages à une distance maximale approximativement doublée par rapport à celle obtenue avec les procédés classiques. Le procédé selon l'invention peut notamment être mis en oeuvre dans des terminaux à bord d'un aéronef, pour pouvoir interroger (en mode inversé) les terminaux au sol à partir de cet aéronef. En l'espèce, une 25 antenne omnidirectionnelle est utilisée en émission par les terminaux au sol et une autre antenne omnidirectionnelle est utilisée en réception depuis l'aéronef, ce qui conduit au niveau des terminaux récepteurs, à recevoir des signaux de faible puissance risquant d'affecter le bilan de liaison. Grâce au procédé selon l'invention, les terminaux sont aptes, malgré ces faibles 30 puissances reçues, à décoder les messages d'interrogation portés par lesdits signaux. Le procédé selon l'invention peut, par exemple, être mis en oeuvre CK (n) = max K LA E x(K(n û i)) * d(i) =o L-1 L-1 2 \ 1 Ix(K(n i)) z * Id(i)I 5 dans des répondeurs IFF, sigle anglo-saxon pour � Identification Friend or Foe �. Un avantage du procédé selon l'invention est qu'il peut être mis en oeuvre sans modifier l'architecture matérielle des interrogateurs et répondeurs, lorsque ceux-ci sont conçus à partir de composants programmables ou de modules logiciels. REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'un message pourvu d'un préambule à plusieurs impulsions dans un signal radiofréquences (201) émis par un interrogateur ou un répondeur en mode S, ledit procédé exécutant une étape de décomposition dudit signal (201) en un signal d'amplitude (205) et en un signal de phase complexe (207), ledit procédé exécutant une étape de détection (240) dudit préambule en corrélant le signal d'amplitude (205) avec un signal de réplique (306) des impulsions attendues, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il exécute une étape de contrôle de phase (250) en sommant des échantillons dudit signal (207) de phase pendant la durée d'écoulement des impulsions (411, 412) dudit préambule et en comparant la somme obtenue à un seuil. 2. Procédé selon la revendication 1, le préambule du message étant suivi par un bloc de données codées par modulation de phase différentielle, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une étape de synchronisation temporelle par corrélation du signal de phase complexe (207) avec une séquence de référence formée par un ou plusieurs bits connus avant le décodage des données. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la séquence de référence comprend au moins un bit d'inversion de phase et cinq bits identifiant le format du message de mode S. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la séquence de référence comprend des bits de données non consécutifs. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que l'étape de contrôle de phase (250) vérifie que la phase du signal reçu varie selon une sinusoïde en démodulant le signal de phase complexe en une composante réelle I et une composante imaginaire Q puis en comparant (506) avec un seuil la somme (504) de25plusieurs échantillons (501, 501') prélevés pendant les impulsions (411, 412) sur chacune des composantes I, Q. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le message étant un message d'interrogation en mode S, le procédé étant caractérisé en ce que le signal de réplique (306) corrélé avec le signal d'amplitude (205) comprend deux impulsions, chacune de durée égale à 0,8 tas, lesdites impulsions étant espacées temporellement par une durée de 2 tas. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le message étant un message de réponse en mode S, le procédé étant caractérisé en ce que le signal de réplique (306) corrélé avec le signal d'amplitude (205) comprend quatre impulsions, chacune de durée égale à0,5ps. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de contrôle de phase (250) n'est exécutée que si un préambule a été observé lors de l'étape de détection (240) du préambule. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le niveau de seuil (307) pour la détection du préambule est déterminé en fonction du niveau de bruit du signal et/ou de l'amplitude maximale du signal d'amplitude (205). 10. Répondeur comportant au moins une antenne (200a) et un module frontal radiofréquences (200b), caractérisé en ce qu'il comporte une unité de traitement (270) de mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.