Brevet FR2979175A1 — publié le 20130222

DISPOSITIF PERMETTANT D'AMÉLIORER LA TRANSMISSION D'INFORMATIONS NUMÉRIQUES UTILISANT LE MODE DE PROPAGATION IONOSPHÉRIQUE DANS LE CADRE DE COMMUNICATIONS RADIO HAUTE FREQUENCE. DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à la transmission d'informations numériques entre deux stations émettrice et réceptrice, dans le cadre de communications radio utilisant l'onde de ciel comme mode principal de propagation. L'invention a trait plus particulièrement aux communications radio dans la gamme des hautes fréquences sur des distances courtes (de quelques km) à longues (de quelques milliers de km). DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR A l'inverse de l'onde de sol, l'onde de ciel est l'onde électromagnétique qui se propage par réflexions successives entre l'ionosphère et le sol jusqu'à ce qu'elle soit complètement atténuée par le milieu dans lequel elle se propage. Cette onde peut ainsi être émise depuis un endroit (système émetteur) et reçue à un autre endroit éloigné (système récepteur) pour lesquels le lien direct (ligne droite entre le système récepteur et le système récepteur) est interrompu par un obstacle quelconque (montagnes, bâtiments, horizon terrestre,etc.). On dit alors que l'information, portée par l'onde de ciel, est transmise via le canal de propagation ionosphérique. Dès lors que dans la gamme des hautes fréquences plus 30 particulièrement concernée par l'invention, les ondes sont transmises via l'ionosphère, elles sont, en fonction de leur fréquence, réfléchies et atténuées par de la concentration électronique rencontrée au cours de leur propagation. Le mécanisme de réflexion et d'atténuation des 35 ondes est dépendant de la concentration électronique de l'ionosphère qui présentent une assez forte variabilité. En - effet, sous l'influence d'un champ électrique d'une onde radioélectrique émise, les électrons ionosphériques de la couche ionosphérique entrent en vibration, captant ainsi une partie de l'énergie de cette onde. En oscillant, ces électrons jouent alors le rôle de petits relais radio qui en diffusant à la même fréquence que l'onde incidente restituent l'énergie empruntée. Cependant, si des électrons subissent des collisions avec les molécules atmosphériques environnantes, leur mouvement d'oscillation est alors amorti. Une partie de l'énergie de vibration est alors dégradée en énergie d'agitation thermique et n'est donc plus restituée à l'onde électromagnétique transmise. De même, l'onde électromagnétique transmise voit sa direction de propagation modifiée par les différences de concentration électronique en fonction de l'altitude dans l'ionosphère comme décrit en théorie par les lois de "Snell-Descartes". Comme dans les communications par onde de ciel, comme celles visées dans l'invention utilisant les ondes de haute fréquence, l'onde de ciel se réfléchira préférentiellement dans les couches les plus denses, il est donc nécessaire de connaitre les conditions ionosphériques afin d'émettre avec la fréquence la plus appropriée selon la distance de réception souhaitée, afin d'obtenir une transmission satisfaisante à n'importe quel moment. Cette fréquence doit être calculée de telle sorte que le trajet de l'onde atteigne le récepteur après une ou plusieurs réflexions ionosphériques. Si la fréquence est trop élevée, l'onde peut traverser les couches ionosphériques et s'échapper dans l'espace. Outre la connaissance de la distance entre l'émetteur et le récepteur, il est aussi important de connaître les conditions ionosphériques le long du grand cercle les reliant. La propagation ionosphérique permettant aux ondes 35 électromagnétiques de parcourir des distances plus grandes que la simple ligne de vue, par réflexion sur les couches - ionisées de l'atmosphère, dépend aussi de l'heure et de l'activité solaire. Dès lors que les caractéristiques du canal de propagation ionosphérique sont fortement corrélées à l'ionosphère, définie par le plasma entourant la Terre et situé entre les altitudes de 80 kms et 2000 kms, et à sa dynamique spatio-temporelle, les variations de l'ionosphère ont un impact non négligeable sur les communications radio hautes fréquences exploitant les ondes de ciel. De ce qui précède, il en découle donc que la clé d'un réseau fiable de communications HF utilisant l'onde de ciel comme mode de propagation, repose sur une connaissance précise de la propagation ionosphérique actuelle. Or, à la connaissance de la demanderesse, il n'existe à ce jour que la possibilité d'utiliser les caractéristiques médianes mensuelles du canal de propagation ionosphérique telles que définies et fournies par l'Union Internationale des Télécommunications, caractéristiques qui sont définies à partir de la modélisation empirique de l'ionosphère en fonction de l'indice d'activité solaire. Partant de cet état de fait, l'objectif de la 25 présente invention est de fournir une technique qui surmonte les limitations des techniques connues en permettant d'obtenir à un instant donné, la fréquence ayant la plus forte probabilité d'établir dans les meilleures conditions, une communication HF entre deux 30 points par onde de ciel. DESCRIPTION DE L'INVENTION C'est donc pour pallier efficacement à cet inconvénient majeur de manque d'actualisation des prévisions de propagation ionosphérique que la 35 demanderesse a mené des recherches qui ont abouti à la conception d'un dispositif permettant d'améliorer la - transmission d'informations numériques entre un émetteur et un récepteur, dans le cadre de communications radio utilisant le mode de propagation ionosphérique, et ce plus particulièrement dans la gamme d'émission d'ondes électromagnétiques à haute fréquence de 3 à 30 MHz et sur des distances courtes (de quelques km) à longues (de quelques milliers de km). Selon le concept général de l'invention, ce dispositif est remarquable en ce qu'il comprend une unité d'acquisition en continu sur un serveur de données d'au moins un système de positionnement global (système de positionnement par satellite) et une unité de traitement informatique qui, hébergée dans le susdit serveur, est dotée de : - un module fournissant une estimation du contenu en électron total de l'ionosphère à partir des mesures fournies par la susdite unité d'acquisition en continu des données du système de positionnement par satellite, - et d'un module fournissant une estimation des 20 caractéristiques du canal de propagation ionosphérique en adaptant un modèle aux estimations du susdit contenu en électron total, pour fournir, à partir des données sur l'estimation des caractéristiques du canal de propagation ionosphérique et 25 des systèmes émetteur et récepteur, une information exploitable sur la fréquence passante la plus probable entre deux points. En offrant la possibilité d'avoir une estimation instantanée des caractéristiques du canal de propagation 30 et non une estimation mensuelle, le dispositif de l'invention permet de déterminer en temps réel les caractéristiques du canal de propagation ionosphérique afin de pouvoir réactualiser les prévisions de propagation ionosphérique définies à partir de l'observation de l'état 35 de l'ionosphère à l'aide du système de positionnement par satellite et ce, à chaque instant donné. - Ainsi, les variations de l'ionosphère d'un jour à l'autre seront alors prises en compte, contrairement aux méthodes existantes, et permettent ainsi d'avoir une estimation plus précise de la fréquence passante à chaque instant pour envisager la mise en place d'une liaison fiable de communications HF utilisant l'onde du ciel comme mode de propagation . Ce dispositif montre aussi tout son intérêt lorsque les caractéristiques instantanées du canal de propagation s'écartent fortement des caractéristiques mensuelles, lors d'un orage ionosphérique par exemple. Pour assurer la mise en oeuvre du susdit module d'estimation du contenu en électron total de l'ionosphère qui correspond au nombre d'électrons libres le long du trajet du signal, l'unité de traitement informatique de l'invention utilise, à partir des mesures fournies par la susdite unité d'acquisition en continu des données du système de positionnement par satellite: - des moyens de détection et de correction des sauts de cycle sur les mesures de phases, - des moyens de résolution de l'ambiguïté de phase, - des moyens de calcul de la combinaison dite de "geometry-free", - des moyens d'estimation de la géométrie de mesure, - des moyens de résolution des biais instrumentaux, - et des moyens d'estimation du susdit contenu en électron total. Les moyens de résolution de l'ambiguïté de phase et les moyens de calcul de la combinaison dite de "geometry- free" pourront être mis en oeuvre aussi bien l'un après l'autre dans n'importe quel ordre qu'ensemble de façon combinée. Les moyens de résolution des biais instrumentaux et les moyens d'estimation du contenu en électron total pourront être mis en oeuvre aussi bien successivement que conjointement. - 6 Pour assurer la mise en oeuvre du susdit module d'estimation des caractéristiques du canal de propagation ionosphérique, l'unité de traitement informatique de l'invention utilise successivement : - des moyens permettant, à partir d'un modèle couplé d'ionosphère-plasmasphère et en fonction de l'activité solaire, d'exprimer les valeurs médianes mensuelles du contenu en électron total et de chaque caractéristique du canal de propagation ionosphérique sous forme d'une table de données correspondantes, - des moyens permettant, via la susdite table de données correspondantes, de convertir en indice fictif d'activité solaire, le susdit contenu en électron total estimé à partir de mesures du système de positionnement par satellite, - et des moyens permettant, via la table de données correspondantes, de convertir le susdit indice fictif d'activité solaire en caractéristique du canal de propagation ionosphérique. Selon une mode de réalisation préférentiel de l'invention, chaque caractéristique du canal de propagation ionosphérique correspond aux fréquences critiques foFE, foFl, foF2 et aux hauteurs hmE, hmFl, hmF2 des couches ionosphériques E, Fl et F2 et est exprimée sous forme d'une table de données correspondantes, pour l'ensemble du domaine de simulation du modèle couplé d'ionosphère-plasmasphère. Le modèle couplé d'ionosphère-plasmasphère "SPIM: Standard Plasmasphere Ionosphere Model" a été déterminé par la demanderesse comme le plus adapté pour exprimer en fonction de l'activité solaire, chaque caractéristique du canal de propagation ionosphérique. Pour permettre d'obtenir, selon une des dispositions principales de l'invention, une information exploitable 35 sur la fréquence passante la plus probable entre deux points, la susdite unité de traitement informatique - utilise successivement : - des moyens de lecture des caractéristiques du susdit canal de propagation ionosphérique par le noyau de calcul modifié d'un logiciel, - des moyens de génération d'un plan de fréquence correspondant à la densité de probabilité sur la gamme HF qu'une fréquence soit passante, à partir du noyau de calcul modifié du susdit logiciel, - et des moyens d'estimation de la fréquence passante la plus probable à partir du plan de fréquence. Le noyau de calcul modifié du logiciel "SATIS" appartenant à TELECOM Bretagne a été choisi préférentiellement par la demanderesse comme le plus adapté à l'invention comme moyens de lecture des 15 caractéristiques du susdit canal de propagation ionosphérique de l'unité de traitement informatique. On comprend que le dispositif permettant d'améliorer la transmission d'informations numériques avec un mode de propagation ionosphérique qui vient 20 d'être ci-dessus décrit, l'a été en vue d'une illustration du concept général plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être adaptés en fonction des besoins identifiés, sans pour autant sortir 25 du cadre de l'invention tel que défini dans les revendications. 30 35 REVENDICATIONS1. Dispositif permettant d'améliorer la transmission d'informations numériques entre un émetteur et un récepteur, dans le cadre de communications radio utilisant 5 le mode de propagation ionosphérique, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il comprend une unité d'acquisition en continu sur un serveur de données d'au moins un système de positionnement global (système de positionnement par satellite) et une unité de traitement informatique qui, 10 hébergée dans le susdit serveur, est dotée de : - un module fournissant une estimation du contenu en électron total de l'ionosphère à partir des mesures fournies par la susdite unité d'acquisition en continu des données du système de positionnement par satellite, 15 - et d'un module fournissant une estimation des caractéristiques du canal de propagation ionosphérique en adaptant un modèle aux estimations du susdit contenu en électron total, pour fournir, à partir des données sur l'estimation des 20 caractéristiques du canal de propagation ionosphérique et des systèmes émetteur et récepteur, une information exploitable sur la fréquence passante la plus probable entre deux points. 2. Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE 25 PAR LE FAIT QUE le susdit module d'estimation du contenu en électron total de l'ionosphère à partir des mesures fournies par la susdite unité d'acquisition en continu des données du système de positionnement par satellite , utilise successivement : 30 - des moyens de détection et de correction des sauts de cycle sur les mesures de phases, - des moyens de résolution de l'ambiguïté de phase, - des moyens de calcul de la combinaison dite de "geometry-free", 35 - des moyens d'estimation de la géométrie de mesure - des moyens de résolution des biais instrumentaux,- - et des moyens d'estimation du susdit contenu en électron total. 3. Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le susdit module d'estimation des 5 caractéristiques du canal de propagation ionosphérique utilise successivement : - des moyens permettant, à partir d'un modèle couplé d'ionosphère-plasmasphère et en fonction de l'activité solaire, d'exprimer les valeurs médianes mensuelles du 10 contenu en électron total et de chaque caractéristique du canal de propagation ionosphérique sous forme d'une table de données correspondantes, - des moyens permettant, via la susdite table de données correspondantes, de convertir en indice fictif 15 d'activité solaire, le susdit contenu en électron total estimé à partir de mesures du système de positionnement par satellite, - et des moyens permettant, via la table de données correspondantes, de convertir le susdit indice fictif 20 d'activité solaire en caractéristique du canal de propagation ionosphérique. 4. Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE pour obtenir une information exploitable sur la fréquence passante la plus probable entre deux 25 points, la susdite unité de traitement informatique utilise successivement : - des moyens de lecture des caractéristiques du susdit canal de propagation ionosphérique par le noyau de calcul modifié d'un logiciel, 30 - des moyens de génération d'un plan de fréquence correspondant à la densité de probabilité sur la gamme HF qu'une fréquence soit passante, à partir du noyau de calcul modifié du susdit logiciel, - et des moyens d'estimation de la fréquence passante 35 la plus probable à partir du plan de fréquence. 5. Dispositif selon la revendication 3, CARACTERISE- 10 - PAR LE FAIT QUE le susdit modèle couplé d'ionosphèreplasmasphère est du type "SPIM : Standard Plasmasphere Ionosphere Model". 6. Dispositif selon la revendication 3, CARACTERISE 5 PAR LE FAIT QUE chaque caractéristique du canal de propagation ionosphérique est exprimée sous forme d'une table de données correspondantes, pour l'ensemble du domaine de simulation du modèle couplé d'ionosphère- plasmasphère. 10 7. Dispositif selon la revendication 3, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE chaque caractéristique du canal de propagation ionosphérique correspond aux fréquences critiques foFE, foFl, foF2 et aux hauteurs hmE, hmFl, hmF2 des couches ionosphériques E, Fl et F2. 15 8. Dispositif selon les revendications 1 et 4, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les susdits moyens de lecture des caractéristiques du susdit canal de propagation ionosphérique de l'unité de traitement informatique, utilisent le noyau de calcul modifié du logiciel "SATIS". 20 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, CARACTERISE PAR LE FAIT QU'il permet d'améliorer la transmission d'informations numériques dans le cadre de communications radio dans la gamme d'émission d'ondes électromagnétiques à haute fréquence de 25 3 à 30 MHz et sur des distances courtes (de quelques km) à longues (de quelques milliers de km). 30 35