Brevet FR2957733A1 — publié le 20110923

-1- L'invention concerne la communication des aéronefs avec le sol. Les besoins d'échanges d'information entre un avion et le sol sont en augmentation constante car ils sont liés en particulier aux mises à jour des composants des systèmes d'information de l'avion, à la transmission d'informations de vol depuis les stations au sol, à la transmission d'informations de maintenance de l'avion pour optimiser les coûts d'opération et aux services offerts aux passagers. Au cours des différentes phases d'opération d'un avion, des moyens de communication différents doivent être utilisés, selon la situation de l'avion (au sol à l'arrêt, en roulage, en phase de décollage ou d'atterrissage, en vol continental, océanique ou polaire). Les avions sont ainsi équipés de plusieurs systèmes de communication par radiofréquences, capable de se connecter à l'infrastructure de communication la plus appropriée à chacune des étapes d'opération de l'avion. Selon les types d'informations transportées et leur impact potentiel sur la sûreté de l'opération de l'avion, ces systèmes de communication doivent en outre répondre à des spécifications de fiabilité plus ou moins contraignantes. Les systèmes de communication utilisés comprennent des infrastructures spécifiques aux communications aéronautiques, telles que les réseaux ACARS (ARINC Communication Addressing and Reporting System) ou ATN (Aeronautical Telecommunication Network), qui s'appuient sur des liaisons VHF, HF ou par satellite. A ces réseaux historiques s'est ajoutée l'utilisation d'infrastructures basées sur des technologies dites « du monde ouvert », telles que WiFi, WiMax, GSM, GPRS et UMTS pour une utilisation quand l'avion est au sol, ou Swift64 et SBB lorsque l'avion est en vol. Dans un objectif d'optimisation des coûts, et bien que la multiplication des infrastructures accessibles présente un intérêt en termes de disponibilité et de baisse des prix des communications, les opérateurs des avions cherchent à optimiser d'une part la masse et le volume des équipements embarqués ainsi que l'impact des antennes sur le comportement aérodynamique de l'avion, et d'autre part le coût des communications entre l'avion et le sol. Dans ce contexte général et pour répondre à l'augmentation du trafic aérien au niveau mondial, de nouvelles infrastructures de communication sont en cours de définition et de normalisation. Ces infrastructures sont destinées à prendre en charge les échanges de données nécessaires pour assurer le contrôle du trafic aérien par les instances habilitées (application ATS ou Air Traffic Services). Cette réflexion a ainsi conduit à sélectionner un système de télécommunications par radiofréquences qui s'appuie sur la norme WiMax (Worldwide Interoperability for 2957733 -2- Microwave Access) pour définir un système de communication dans une bande de fréquences dédiée aux applications aéronautiques par l'UIT (Union Internationale des Télécommunications) autour des 5 GigaHertz. Son installation et son utilisation deviendront progressivement obligatoires pour les avions 5 commerciaux, afin de véhiculer les informations nécessaires à la prise en charge de l'avion dans le système de contrôle du trafic aérien. Ce système est destiné à être utilisé lorsque l'avion est au sol, et ne peut donc pas être utilisé en vol. Ce système est dénommé AeroWimax ou encore AeroMACS, ce qui signifie « AEROnautical Mobile Airport Communicationystem ». Dans toute la présente 10 demande, ces deux termes sont considérés comme synonymes. Un but de l'invention est d'augmenter encore les possibilités de communication de l'avion avec le sol lorsqu'il est en vol. A cet effet, on prévoit selon l'invention un terminal de communication de bord pour aéronef, apte à communiquer par ondes radio avec l'extérieur du 15 terminal dans une bande de fréquences comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses, suivant une norme de transmission de type WiMax. Avantageusement, le terminal est apte à communiquer dans une deuxième bande de fréquences comprise entre 5091 et 5150 MHz, bornes incluses. Dans un mode de réalisation, ces communications ont lieu suivant une 20 norme de transmission de type AeroWimax. De préférence, le terminal est apte à employer une même antenne pour des communications dans les deux bandes de fréquences. On prévoit également selon l'invention un aéronef qui comprend un terminal selon l'invention. 25 On prévoit aussi selon l'invention un satellite apte à communiquer avec l'extérieur du satellite par ondes radio dans une bande de fréquences comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses. On prévoit encore selon l'invention une station au sol pour la communication avec des aéronefs, apte à communiquer par ondes radio avec l'extérieur de la 30 station dans une bande de fréquences comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses, suivant une norme de transmission de type WiMax. Ainsi, le système de communication AeroWimax est prévu pour fonctionner dans la bande de fréquences comprise entre 5091 et 5150 MHz, dédiée aux applications de communication aéronautiques. Selon l'invention, on utilise la 35 bande de fréquences adjacente définie par les bornes 5030 et 5091 MHz pour les communications de l'aéronef avec le sol via un satellite. Cette bande est déjà utilisée par le système multi-trajets d'atterrissage aux instruments ou MLS 2957733 -3- (Microwave Landing System) mais qui ne met pas en oeuvre une transmission par satellite. Dans l'invention, les communications de l'aéronef avec le sol via le satellite dans cette bande de fréquences peuvent mettre en oeuvre le protocole de communications AeroWimax moyennant les adaptations nécessaires pour son 5 utilisation dans le cadre d'une communication par satellite. On prévoit également selon l'invention un système de communication qui comprend au moins deux des éléments selon l'invention suivants : un aéronef, un satellite et une station au sol. On prévoit par ailleurs selon l'invention un procédé de communication entre 10 un aéronef et le sol, dans lequel l'aéronef communique par ondes radio avec le sol via au moins un satellite et dans une bande de fréquences comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses. On prévoit aussi selon l'invention un procédé de communication dans lequel un aéronef communique par ondes radio avec l'extérieur de l'aéronef dans une 15 bande de fréquences comprise entre 5030 et 5091 MHz, suivant une norme de transmission de type WiMax. On prévoit de plus selon l'invention un procédé de communication dans lequel un satellite communique par ondes radio avec l'extérieur du satellite dans une bande de fréquences comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses. 20 On prévoit enfin selon l'invention un procédé de communication dans lequel une station au sol communique par ondes radio avec l'extérieur de la station dans une bande de fréquences comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses, suivant une norme de transmission de type WiMax. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore 25 dans la description suivante d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, sur lesquels : - la figure 1 montre un avion dans différentes configurations d'utilisation ainsi qu'une station au sol et un satellite faisant partie d'un système selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; 30 - la figure 2 est un diagramme illustrant des bandes de fréquences et parmi celles-ci la gamme utilisée dans le cadre de l'invention ; et - la figure 3 est un schéma montrant des organes du terminal équipant l'avion de la figure 1. On a illustré à la figure 1 un système 2 selon l'invention pour la 35 communication d'aéronefs avec le sol. Ce système comprend un aéronef 4 et de préférence plusieurs. L'aéronef est en l'espèce un aérodyne et il s'agit ici d'un avion présentant un fuselage 6, deux ailes 8, un empennage 10 et des 2957733 -4- propulseurs 12 portés par les ailes. Le système comprend au moins un satellite 14 et de préférence plusieurs, placés en orbite terrestre à une altitude adaptée. Le système 2 comprend enfin au moins une station au sol 16 et de préférence plusieurs. Dans le cadre de l'invention, chacun des éléments formés 5 par l'avion 4, le satellite 14 et l'installation 16 est configuré pour émettre et recevoir des communications en mettant en oeuvre le procédé de communication qui va être décrit ci-après. Il s'agit d'un procédé de communication de données par radiofréquences fonctionnant dans la bande de fréquences située entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses. Cette gamme 18 dans laquelle l'invention est mise 10 en oeuvre a été illustrée sur la figure 2. Elle est adjacente à la gamme 20 comprise entre les fréquences 5091 MHz et 5150 MHz dans laquelle le protocole de communication AeroWimax est prévu pour fonctionner. Sachant que l'invention met en oeuvre un protocole de communication de type AeroWimax dans la gamme 18 et non dans la gamme 20, ce protocole fait 15 l'objet de quelques adaptations dans le cadre de l'invention. D'autres adaptations sont rendues nécessaires par le fait que les communications de l'avion avec le sol transitent par un satellite 14. La gamme 18 est partagée avec les communications relatives au MLS. Le protocole ou interface AeroWimax est basé sur la norme WiMax (normes 20 de la série IEEE 802.16). Cette norme s'appuie sur l'utilisation de la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) qui est un procédé de codage de signaux numériques par répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses. Cette interface s'appuie aussi sur l'utilisation d'un schéma de modulation et de codage adaptatif. Sachant qu'elle est destinée 25 au départ à des applications terrestres, la structure des canaux prévus par cette norme nécessite d'être adaptée dans le cadre de l'invention pour prendre en compte les spécificités de la communication entre le sol 16 et l'avion 4 via le satellite 14. Ces spécificités sont relatives notamment à la vitesse de l'avion, à l'environnement de propagation présentant des multi-trajets moins importants et 30 au délai de propagation via le satellite. Pour la mise en oeuvre de l'invention, les modifications peuvent notamment porter sur la forme d'ondes (structure des canaux, modulation, codage, temps de garde et/ou bandes de garde). Il s'agit par exemple de : - permettre l'utilisation du système à des vitesses plus élevées que celles 35 permises par le protocole AeroWimax de base ; - prendre en compte la distance correspondant au temps de propagation entre le mobile formé par l'avion et le point d'accès au réseau ; et 2957733 -5- - favoriser la conception d'un système de communication par satellite qui procure une couverture maximale de la surface terrestre tout en minimisant la puissance de transmission nécessaire tant pour les satellites 14 que pour les terminaux embarqués sur les avions 4. 5 A titre d'exemple, pour la couche physique de l'interface, ces adaptations peuvent conduire à réduire la largeur des canaux OFDM pour augmenter les bandes de garde entre ceux-ci. Les adaptations peuvent aussi conduire à remplacer la structure de ces canaux par un autre système mieux adapté pour une transmission par satellite. Il 10 peut s'agir par exemple d'un système de type TDM (Time Division Multiplexing ou multiplexage temporel) qui est une technique de multiplexage permettant à un émetteur de transmettre plusieurs canaux numériques élémentaires à bas débit (voix, données, vidéo) sur un même support de communication à plus haut débit en entrelaçant dans le temps des échantillons de chacun de ces canaux. Il pourra 15 s'agir aussi d'un multiplexage fréquentiel (multiplexage par répartition de fréquences ou FDM pour Frequency Division Multiplexing) qui permet de partager la bande de fréquences sur la voie à haute vitesse en une série de plusieurs canaux moins larges qui permettent de faire circuler sans interruption sur la voie à haute vitesse les données provenant de différentes voies à basse vitesse. 20 Les adaptations peuvent aussi mener à utiliser des canaux de capacité adaptée au débit réellement nécessaire pour des applications aéronautiques. On peut aussi envisager des modifications du protocole d'accès au réseau au niveau de la couche MAC (Media Acces Control, soit contrôle d'accès au support). Il s'agit de prendre en compte la vitesse de l'avion et le délai de 25 propagation entre l'avion et l'infrastructure de communication au sol. Pour la couche MAC, ces adaptations conduisent par exemple à : - modifier les structures des trames TDMA (Time Division Multiple Access ou accès multiple à répartition dans le temps) pour prendre en compte le délai de propagation plus long (augmentation du temps de garde entre voie montante et 30 voie descendante par exemple) ; - modifier et/ou utiliser différents paramètres pour les algorithmes de contrôle de puissance (pas de réglage des niveaux, constantes de temps par exemple) ; et - adapter les temporisations pour prendre en compte le délai de transmission plus long lié à la transmission via un satellite géostationnaire. 35 Les satellites 14 sont de type géostationnaire ou non. Les stations au sol 16 sont prévues pour faire la liaison avec les réseaux de communication terrestres habituels, notamment ceux précités. On a illustré à la figure 1 l'avion au sol, 2957733 -6- immobile ou au roulage, en train de communiquer avec une station au sol 16 via une liaison directe 24. La même figure montre l'avion au décollage en train de communiquer avec cette station 16 via cette fois le satellite 14 moyennant des liaisons respectives 26 entre l'avion et le satellite et 28 entre le satellite et la 5 station. La même figure montre l'avion en vol et communiquant de même avec la station 16 via des liaisons 30 et 28. La liaison 28 entre le satellite 14 et la station au sol 16 peut être indirecte (i.e. via une autre station au sol dédiée au système de communication par satellite). L'avion 4 embarque un terminal 22 intégré aux équipements de bord de 10 l'avion. Le terminal 22 est apte à communiquer avec le sol selon les situations soit via l'infrastructure de communication à satellites et donc via l'un des satellites 14, soit sans passer par un satellite via l'infrastructure AeroWimax terrestre. C'est ici le même terminal 22 à bord de l'avion qui assure ces deux types de communication. En effet, le fait d'utiliser des protocoles similaires dans des 15 bandes de fréquences rapprochées 18 et 20 pour communiquer tantôt directement avec l'infrastructure AeroWimax, tantôt avec l'infrastructure à satellites de l'invention, permet d'intégrer les deux types de fonctions au sein du même terminal 22 et d'utiliser la même antenne 32 associée à ce terminal et portée par l'avion pour les deux modes de communication. L'invention permet 20 ainsi d'intégrer au sein du même équipement embarqué 22 les moyens de communiquer : - lorsque l'avion est au sol via l'infrastructure AeroWimax lorsque celle-ci est disponible ; - lorsque l'avion est en vol via l'infrastructure à satellites de l'invention ; et 25 - lorsque l'avion est au sol via cette même infrastructure dans l'hypothèse où l'infrastructure AeroWimax n'est pas disponible. C'est cette dernière hypothèse qui a été illustrée sur la figure 1 avec la liaison 34 entre l'avion au sol et le satellite 14. Cette aptitude à utiliser le même équipement 22 pour communiquer dans les différentes circonstances d'opération de l'avion permet de réduire les coûts 30 d'installation, le volume, la masse et la consommation des équipements de communication de données et aussi de simplifier l'architecture de l'équipement qui se base sur les protocoles standards. L'invention offre donc un système de communication dont la masse et le volume sont réduits par rapport aux solutions existantes du fait de leur intégration dans un seul terminal. L'utilisation d'une seule 35 antenne 32 pour les deux scénarios de communication permet quant à elle d'améliorer le coût de l'installation ainsi que l'impact de l'antenne sur l'aérodynamisme de l'avion. 2957733 -7- On a illustré à la figure 3 les principaux organes de l'équipement de bord 22 assurant ces communications. L'antenne 32 s'étendant à l'extérieur de l'avion est ainsi reliée à un diplexeur-amplificateur à bas bruit (diplexer-low noise amplifier ou D/LNA) 40. Les communications reçues par l'antenne 32 passent donc dans le 5 diplexeur 40 et sont transmises à une unité radio fréquence 42 (RFU ou radio frequency unit) formant également un calculateur satellitaire (satellite date unit ou SDU). Elles sont ensuite transmises aux organes de l'avion, notamment les serveurs et les calculateurs, auxquels ces données sont destinées. Les communications destinées à être émises par l'avion sont transmises par l'unité 42 10 à un amplificateur haute fréquence (HPA ou high power amplifier) 44, au diplexeur 40 puis à l'antenne 32. Les éléments de la chaine de traitement radio (amplificateur haute fréquence 44, diplexeur 40 et antenne 32) sont mis en commun pour les deux modes de communication, à savoir qu'il s'agisse d'une communication via un satellite 14 conformément à l'invention ou d'une 15 communication directe de type AeroWimax. Le passage depuis la bande de base ou en direction de celle-ci ainsi que le traitement en bande de base sont regroupés au sein du même équipement 42. Comme on le voit, l'invention autorise une intégration maximale des deux fonctions formées par la communication AeroWimax et la communication satellitaire. 20 Chacun des éléments du système 2 formés par le terminal 22, le satellite 14 et la station au sol 16 comprennent les organes informatiques et électroniques aptes à mettre en oeuvre le procédé qui vient d'être présenté, et en particulier des processeurs, mémoires, horloges... Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications 25 sans sortir du cadre de celle-ci. On pourra regrouper au sein d'un même organe les fonctions de l'amplificateur haute fréquence 44 et de l'unité radiofréquence et calculateur satellitaire 42. On pourra intégrer le diplexeur-amplificateur à bas bruit 40 à l'antenne 32. On pourrait prévoir que l'équipement 32 est associé à deux 30 antennes séparées dédiées respectivement aux communications satellitaires selon l'invention et aux communications de type AeroWimax. On pourrait mettre en oeuvre l'invention en la regroupant avec un système terrestre utilisable en vol. On pourra intégrer l'invention à un terminal regroupant l'accès à plusieurs systèmes de communication terrestres ou satellitaires (par exemple 35 lridium/lnmarsat ou Aircel/GSM). REVENDICATIONS1. Terminal (22) de communication de bord pour aéronef (4), caractérisé en ce qu'il est apte à communiquer par ondes radio avec l'extérieur du terminal dans une bande de fréquences (18) comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses, suivant une norme de transmission de type WiMax. 2. Terminal selon la revendication précédente, apte à communiquer dans une deuxième bande de fréquences (20) comprise entre 5091 et 5150 MHz, bornes incluses, notamment suivant une norme de transmission de type AeroWimax, de préférence le terminal (22) étant apte à employer une même antenne (32) pour des communications dans les deux bandes de fréquences (18, 20). 3. Aéronef (4) caractérisé en ce qu'il comprend un terminal (22) selon au moins l'une quelconque des revendications précédentes. 4. Satellite (14) caractérisé en ce qu'il est apte à communiquer avec l'extérieur du satellite par ondes radio dans une bande de fréquences (18) comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses. 5. Station au sol (16) pour la communication avec des aéronefs (4), caractérisée en ce qu'elle est apte à communiquer par ondes radio avec l'extérieur de la station dans une bande de fréquences (18) comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses, suivant une norme de transmission de type WiMax. 6. Système de communication (2) caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux des éléments suivants : - un aéronef (4) selon la revendication 3, - un satellite (14) selon la revendication 4, et - une station au sol (16) selon la revendication précédente. 7. Procédé de communication entre un aéronef (4) et le sol, caractérisé en ce que l'aéronef (4) communique par ondes radio avec le sol via au moins un satellite (14) et dans une bande de fréquences (18) comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses. 8. Procédé de communication caractérisé en ce qu'un aéronef (4) communique par ondes radio avec l'extérieur de l'aéronef dans une bande de fréquences (18) comprise entre 5030 et 5091 MHz, suivant une norme de transmission de type WiMax. 9. Procédé de communication caractérisé en ce qu'un satellite (14) communique par ondes radio avec l'extérieur du satellite dans une bande de fréquences (18) comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses. 2957733 -9- 10. Procédé de communication caractérisé en ce qu'une station au sol (16) communique par ondes radio avec l'extérieur de la station dans une bande de fréquences (18) comprise entre 5030 et 5091 MHz, bornes incluses, suivant une norme de transmission de type WiMax.