Brevet FR3073292A1 — publié le 20190510

I Procédé de détection de cible par réflectométrie GNSS et système associé L'invention porte sur un procédé de détection d'une cible par réflectométrie GNSS. On entend par cible un élément possédant des caractéristiques de réflexion différentes de celles de la surface sur laquelle il se trouve. Ces caractéristiques de réflexion différentes peuvent être dues, de manière non limitative, à une géométrie différente (e.g. pic de glace sur une étendue plane de glace) ou à une composition différente (e.g. structure métallique sur une étendue d'eau). Les caractéristiques de réflexion peuvent être de type spéculaire ou diffuse, ou toute combinaison de celles-ci. La réflectométrie GNSS est une technique de télédétection originale et opportuniste qui consiste à analyser les ondes électromagnétiques émises en continu par la soixantaine de satellites des systèmes de positionnement GNSS (GALILEO, GPS, GLONASS, ...), qui sont captées par une antenne après réflexion sur la surface de la Terre. Ces signaux interagissent avec la surface réfléchissante et contiennent donc des informations sur ses propriétés, que l'on peut observer dans le signal reçu après réflexion. Si la faisabilité et l'intérêt de cette méthode ne sont plus à démontrer, en particulier dans des domaines aéronautiques la mise en oeuvre de cette technique pose un certain nombre de problèmes dans un contexte spatial. Le GNSS est donc utilisé comme un radar, et reçoit l'écho après rebond sur la surface de la Terre, et de déduire de l'analyse de l'écho les caractéristiques de la surface. C'est une alternative intéressante au radar, au moins pour des 35 applications de faible coût, notamment parce qu'il n'est pas nécessaire de 2 payer la source (l'émetteur du radar, avec tout ce que ça coûte en termes de consommation), ainsi qu'elle est continûment disponible (pas besoin d'attendre la revisite du satellite ou du porteur du radar). 5 La réflectométrie GNSS est utilisée depuis plusieurs années, dans un cadre aéroporté, par exemple dans l'agriculture et la surveillance des forêts. Cependant, le bilan de liaisons n'est pas suffisant pour une 10 implémentation simple de réflectométrie GNSS sur des satellites classiques en orbites basse, dites LEO pour acronyme de "Low Earth Orbit" en langue anglaise, généralement considérées comme inférieures à 2000 km. En l'espèce, une cible peut être un navire sur l'océan (petite 15 surface de réflexion spéculaire au milieu d'une surface globalement en réflexion diffuse), une partie d'un pôle non couvert de glace (petite surface de réflexion diffuse au milieu d'une surface globalement en réflexion spéculaire). Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment 20 Cités. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un procédé itératif de détection par au moins un satellite récepteur en orbite d'une cible possédant des caractéristiques de réflexion différentes de celles de la 25 surface sur laquelle elle se trouve, par réflectométrie GNSS, dans lequel les signaux GNSS réfléchis sont reçus par une antenne active du satellite récepteur comprenant une pluralité d'éléments d'antenne, comprenant une étape de détermination d'hypothèses de positions de la cible pour lesquelles on souhaite détecter la cible, pour chaque hypothèse de position de la cible, 30 on effectue les étapes de : - détermination d'un intervalle temporel au cours duquel ladite hypothèse de position de la cible est visible du satellite récepteur, et découpage de cet intervalle temporel en segments temporels, pour chacun desquels on effectue les étapes de : 3 - détermination de la direction d'arrivée des signaux GNNS réfléchis issus de ladite hypothèse de position de la cible à partir de la position orbitale du satellite récepteur ; - détermination de la position orbitale des satellites GNSS selon 5 leurs éphémérides, puis des directions d'arrivée des signaux GNSS directs des satellites GNSS visibles sur un récepteur GNSS du satellite, et de l'écho perturbateur de réflexion spéculaire des signaux GNSS sur la surface sur laquelle se trouve la cible ; - corrélation, pour chaque satellite GNSS visible, de l'hypothèse 10 de position de la cible, sur le code GNSS correspondant à ce satellite GNSS, et formation de faisceaux par l'antenne active en maximisant le gain de l'antenne active du satellite récepteur dans la direction d'arrivée des signaux issus de l'hypothèse de position de la cible, et en minimisant le gain de l'antenne active dans les 15 directions d'arrivée des signaux directs des satellites GNSS visibles sur le récepteur GNSS et de l'écho perturbateur de réflexion spéculaire sur ladite surface sur laquelle se trouve la cible ; - détermination du temps d'arrivée et de la variation temporelle de 20 la phase d'arrivée attendus des signaux GNSS potentiellement réfléchis sur la cible, et moyenne sur les satellites GNSS visibles de la corrélation sur le code GNSS pour les temps d'arrivée et variation temporelle de la phase d'arrivée, à partir de la position orbitale dudit satellite récepteur et de ses évolutions et des 25 positions orbitales des satellites GNSS visibles de l'hypothèse de position de la cible et de leurs évolutions ; et - moyenne sur les segments temporels desdites moyennes de corrélation sur les satellites GNSS ; - détermination de la présence de la cible à l'hypothèse de 30 position par comparaison de ladite moyenne sur les segments temporels avec une valeur de référence. Ainsi, le procédé permet de pouvoir utiliser des signaux GNSS pour localiser une cible. 4 Dans un mode de mise en oeuvre, la position orbitale du satellite récepteur est déterminée à partir d'un récepteur GNSS placé sur ledit satellite. 5 Ainsi, le satellite dispose non seulement d'un moyen de connaître sa position, mais également d'une capacité pour collecter les éphémérides des satellites GNSS nécessaires aux calculs géométriques permettant d'évaluer les géométries de réception et les variations temporelles des caractéristiques des signaux reçus. 10 Dans un mode de mise en oeuvre, la valeur de référence de l'étape de détermination de la présence de la cible est prédéterminée. Ainsi, il est possible d'identifier la présence d'une cible 15 particulièrement réflexive (respectivement diffuse) par l'observation d'une forte (respectivement faible) cohérence des signaux reçus de cette direction. Cela peut notamment être utile dans un contexte expérimental, ou de début de fonctionnement de satellite, afin de fixer les sensibilités des algorithmes sur certains points connus. 20 Selon un mode de mise en oeuvre, la valeur de référence de l'étape de détermination de la présence de la cible est adaptative. Ainsi, il est possible d'adapter les seuils à l'environnement 25 observé, par exemple définir des seuils de détections plus élevés dans les zones maritimes avec beaucoup de bateaux pour identifier seulement sans confusion des cibles plus grandes, et revenir à des seuils plus faibles pour détecter des cibles plus petites lorsque les risques de confusions sont moindres. 30 Dans un mode de mise en oeuvre, la cible est un bateau sur une étendue d'eau. En variante, la cible est une surface non couverte de glace à un 35 Pôle de la Terre. 5 Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un système de détection par satellite en orbite d'une cible possédant des caractéristiques de réflexion différentes de celles de la surface sur laquelle elle se trouve, par réflectométrie GNSS, adapté pour mettre en oeuvre le 5 procédé selon l'une des revendications précédentes. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par le dessin sur lequel la figure 1 illustre schématiquement un mode de mise en 10 oeuvre du procédé selon un aspect de l'invention. Le procédé itératif de détection par au moins un satellite récepteur en orbite d'une cible possédant des caractéristiques de réflexion différentes de celles de la surface sur laquelle elle se trouve, par réflectométrie GNSS, 15 dans lequel les signaux GNSS réfléchis sont reçus par une antenne active du satellite récepteur comprenant une pluralité d'éléments d'antenne, comprenant une étape de détermination El d'hypothèses de positions de la cible pour lesquelles on souhaite détecter la cible, pour chaque hypothèse de position de la cible, on effectue les étapes de : 20 - détermination E2 d'un intervalle temporel au cours duquel ladite hypothèse de position de la cible est visible du satellite récepteur, et découpage de cet intervalle temporel en segments temporels, pour chacun desquels on effectue les étapes de : - détermination E3 de la direction d'arrivée des signaux GNSS 25 réfléchis issus de ladite hypothèse de position de la cible à partir de la position orbitale du satellite récepteur ; - détermination E4 de la position orbitale des satellites GNSS selon leurs éphémérides, puis des directions d'arrivée des signaux GNSS directs des satellites GNSS visibles sur un récepteur GNSS 30 du satellite, et de l'écho perturbateur de réflexion spéculaire des signaux GNSS sur la surface sur laquelle se trouve la cible ; - corrélation E5, pour chaque satellite GNSS visible, de l'hypothèse de position de la cible, sur le code GNSS correspondant à ce satellite GNSS, et formation de faisceaux par 35 l'antenne active en maximisant le gain de l'antenne active du 6 satellite récepteur dans la direction d'arrivée des signaux issus de l'hypothèse de position de la cible, et en minimisant le gain de l'antenne active dans les directions d'arrivée des signaux directs des satellites GNSS visibles sur le récepteur GNSS et de l'écho 5 perturbateur de réflexion spéculaire sur ladite surface sur laquelle se trouve la cible ; - détermination E6 au niveau du satellite récepteur du temps d'arrivée et de la variation temporelle de la phase d'arrivée attendus des signaux GNSS potentiellement réfléchis sur la cible, 10 et moyenne sur les satellites GNSS visibles de la corrélation sur le code GNSS pour les temps d'arrivée et variation temporelle de la phase d'arrivée, à partir de la position orbitale dudit satellite récepteur et de ses évolutions et des positions orbitales des satellites GNSS visibles de l'hypothèse de position de la cible et 15 de leurs évolutions ; et - moyenne E7 sur les segments temporels desdites moyennes de corrélation sur les satellites GNSS ; - détermination E8 de la présence de la cible à l'hypothèse de position par comparaison de ladite moyenne sur les segments 20 temporels avec une valeur de référence. La présente invention repose notamment sur l'utilisation d'une antenne active à plusieurs faisceaux au niveau du satellite récepteur ou des satellites récepteurs, en orbites basses ou LEO. Dans le cas d'une pluralité 25 de satellites il faut également gérer les communications entre les différents satellites. L'utilisation d'un seul satellite récepteur pourra donc être privilégiée. L'utilisation d'une antenne active permet notamment d'avoir une 30 recombinaison cohérente des signaux dans une direction déterminée, ou direction d'une cible potentielle, permettant d'améliorer le gain dans cette direction à proportion du nombre d'antennes utilisées pour la recombinaison des signaux, mais également une annulation des signaux dans des directions jugées interférentes, notamment dans la direction de la réflexion 7 spéculaire de chaque satellite GNSS pour se concentrer sur la réception des échos non spéculaires. De plus, ces deux éléments pouvant être réalisés de manière 5 dynamique et continue, adaptée aux déplacements relatifs des satellites GNSS, du satellite LEO porteur et des cibles (supposées fixes ou faiblement mouvantes) sur Terre, il est également possible d'augmenter le nombre de constellations utilisées, la formation de faisceau adaptative pouvant également être utilisée pour pallier les problèmes d'écho perturbateur de 10 réflexion spéculaire des signaux GNSS sur la surface sur laquelle se trouve la cible ou "Near-Far effect" en langue anglaise, et d'augmenter les durées d'intégration (cohérente et/ou incohérente) et donc à nouveau gagner en sensibilité pour la détection de cibles. 15 La position orbitale du satellite récepteur peut être déterminée à partir du récepteur GNSS. Une évolution de position peut être calculée par une dérivée temporelle de la position. La valeur de référence peut être prédéterminée ou adaptative. 20 La cible peut être un bateau sur une étendue d'eau ou une surface non couverte de glace à un Pôle de la Terre. Le principe de l'invention est l'application d'une série de boucles 25 imbriquées, appuyées sur les sorties de réception et de corrélations GNSS: Pour chaque position sur Terre, définie par une maille fonction du signal GNSS de plus forte résolution (de plus grande largeur de bande) : o Si elle est n'est pas visible : rien o Si elle devient visible : début de l'intégration 30 o Si elle termine sa visibilité : décision sur la présence d'une cible o Si elle est en cours de visibilité : - Pour chaque satellite GNSS: - Détermination du beamforming optimal permettant le pointage vers la réflexion sur cette 35 source du signal émis par le satellite GNSS, et l'élimination du clutter de mer et des satellites 8 visibles susceptibles de créer un Near-Far effect, à hauteur de N-2 satellites éliminés avec N nombre d'antennes - Détermination du temps et de la fréquence de 5 réception attendues pour un tel signal réfléchi sur la cible d'après la position de la cible et les positions et vitesses des satellites LEO et GNSS - Corrélation cohérente de la réplique GNSS pour ce signal réfléchi attendu après beamforming 10 - Accumulation sur tous les satellites GNSS Un système selon l'invention de détection par satellite récepteur en orbite d'une cible possède des caractéristiques de réflexion différentes de celles de la surface sur laquelle elle se trouve, par réflectométrie GNSS, et 15 est adapté pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une REVENDICATIONS1. Procédé itératif de détection par au moins un satellite récepteur en orbite d'une cible possédant des caractéristiques de réflexion différentes de celles de la surface sur laquelle elle se trouve, par réflectométrie GNSS, dans lequel les signaux GNSS réfléchis sont reçus par une antenne active du satellite récepteur comprenant une pluralité d'éléments d'antenne, comprenant une étape de détermination (El) ) d'hypothèses de positions de la cible pour lesquelles on souhaite détecter la cible, pour chaque hypothèse de position de la cible, on effectue les étapes de : - détermination (E2) d'un intervalle temporel au cours duquel ladite hypothèse de position de la cible est visible du satellite récepteur, et découpage de cet intervalle temporel en segments temporels, pour chacun desquels on effectue les étapes de : - détermination (E3) de la direction d'arrivée des signaux GNNS réfléchis issus de ladite hypothèse de position de la cible à partir de la position orbitale du satellite récepteur ; - détermination (E4) de la position orbitale des satellites GNSS selon leurs éphémérides, puis des directions d'arrivée des signaux GNSS directs des satellites GNSS visibles sur un récepteur GNSS du satellite, et de l'écho perturbateur de réflexion spéculaire des signaux GNSS sur la surface sur laquelle se trouve la cible ; - corrélation (E5), pour chaque satellite GNSS visible, de l'hypothèse de position de la cible, sur le code GNSS correspondant à ce satellite GNSS, et formation de faisceaux par l'antenne active du satellite récepteur en maximisant le gain de l'antenne active dans la direction d'arrivée des signaux issus de l'hypothèse de position de la cible, et en minimisant le gain de l'antenne active dans les directions d'arrivée des signaux directs des satellites GNSS visibles sur le récepteur GNSS et de l'écho perturbateur de réflexion spéculaire sur ladite surface sur laquelle se trouve la cible ; 10 - détermination (E6) du temps d'arrivée et de la variation temporelle de la phase d'arrivée attendus des signaux GNSS potentiellement réfléchis sur la cible, et moyenne sur les satellites GNSS visibles de la corrélation sur le code GNSS pour les temps 5 d'arrivée et variation temporelle de la phase d'arrivée, à partir de la position orbitale dudit satellite récepteur et de ses évolutions et des positions orbitales des satellites GNSS visibles de l'hypothèse de position de la cible et de leurs évolutions ; et - moyenne (E7) sur les segments temporels desdites moyennes 10 de corrélation sur les satellites GNSS; - détermination (E8) de la présence de la cible à l'hypothèse de position par comparaison de ladite moyenne sur les segments temporels avec une valeur de référence. 15 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la position orbitale du satellite récepteur est déterminée à partir d'un récepteur GNSS placé sur ledit satellite. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la 20 valeur de référence de l'étape de détermination (E8) de la présence de la cible est prédéterminée. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la valeur de référence de l'étape de détermination (E8) de la présence de la cible 25 est adaptative. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cible est un bateau sur une étendue d'eau. 30 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la cible est une surface non couverte de glace à un Pôle de la Terre. 7. Système de détection par satellite en orbite d'une cible possédant des caractéristiques de réflexion différentes de celles de la surface sur 35 laquelle elle se trouve, par réflectométrie GNSS, adapté pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes.