Brevet FR3076138A1 — publié le 20190628

PROCEDE DE COUVERTURE MULTIFAISCEAUX PAR REGROUPEMENT DE FAISCEAUX ELEMENTAIRES DE MEME COULEUR, ET CHARGE UTILE DE TELECOMMUNICATIONS POUR METTRE EN OEUVRE UN TEL PROCEDE L'invention relève du domaine des télécommunications par satellite. Plus particulièrement, elle porte sur un procédé pour réaliser une couverture multifaisceaux d'une région de la surface terrestre, ainsi que sur une charge utile de télécommunications, destinée à être embarquée sur un satellite, permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé. La recherche de capacités de transmission élevées dans les systèmes de communication par satellite impose le recours à des antennes à faisceaux multiples pour réaliser des couvertures dites « multifaisceaux » d'une région d'intérêt de la surface terrestre. Une telle couverture se présente sous la forme d'une juxtaposition de couvertures individuelles géographiquement distinctes, contiguës ou non contigües, généralement de forme circulaire ou elliptique et correspondant aux empreintes au sol de différents faisceaux générés par un satellite de télécommunication. Il convient de noter que le terme « faisceau » peut recouvrir deux réalités distinctes : lorsqu'on considère une liaison descendante, il est effectivement question de faisceaux de rayonnement électromagnétique se propageant du satellite vers le sol ; dans le cas d'une liaison ascendante, par contre, on indique par « faisceau » un lobe du diagramme de réception du système antennaire du satellite. Les couvertures multifaisceaux permettent généralement la 25 réutilisation de la fréquence selon un schéma dit « à N couleurs ». Selon un tel schéma, afin d'éviter les interférences, deux faisceaux adjacents présentent une « couleur » différente, chaque « couleur » correspondant à une paire fréquence - état de polarisation. La disparité des besoins en trafic de données entre différentes 30 parties de la région d'intérêt peut être très importante ; il est donc nécessaire de faire varier la taille des faisceaux desservant ces différentes parties. Ainsi, il est usuel d'utiliser des faisceaux fins d'ouverture angulaire minimale dans 2 les zones a forte densité d'utilisateurs, et des faisceaux larges d'ouverture angulaire importante dans les zones a faible densité d'utilisateurs. A titre d'exemple, la figure 1 montre une couverture multifaisceaux de l'Australie présentant des faisceaux très larges dans les zones peu peuplées du centre 5 et du nord et des faisceaux beaucoup plus fins dans les régions côtières du sud-ouest et du sud-est. Dans un satellite adapté pour réaliser une couverture multifaisceaux, les faisceaux sont généralement générés par des systèmes d'antenne comprenant des antennes sources (ou simplement « sources » ; il 10 s'agit généralement des cornets ou ensembles de cornets) et des réflecteurs. Typiquement, chaque antenne source génère un faisceau respectif, tandis qu'un même réflecteur peut contribuer à la génération de plusieurs faisceaux distincts. La taille d'un faisceau dépend à la fois des caractéristiques de l'antenne source et de celles du réflecteur ; en outre, un réflecteur est 15 optimisé pour une source présentant certaines caractéristiques. En pratique, des sources différentes peuvent générer des faisceaux de taille légèrement différente à l'aide d'un même réflecteur, mais la désadaptation entre source et réflecteur devient rapidement problématique. Par conséquent, pour pouvoir générer une couverture multifaisceaux comprenant des faisceaux de tailles 20 très différentes (rapport entre les surfaces des empreintes au sol pouvant atteindre, voire dépasser, un facteur 4) il est nécessaire d'utiliser plusieurs réflecteurs différents. Cela conduit à des systèmes antennaires complexes et coûteux. Par ailleurs, les faisceaux de grandes dimensions présentent des pentes de diagramme d'émission beaucoup moins raides que les faisceaux plus directifs ; en d'autres termes, leur intensité décroit de manière plus progressive en s'éloignant du centre du faisceau. Par conséquent, les « queues » des faisceaux de grande taille tendent à interférer avec les plus petits faisceaux. L'invention vise à remédier, en tout ou en partie, à au moins un des inconvénients précités de l'art antérieur. Plus particulièrement, l'invention vise à permettre la réalisation d'une couverture multifaisceaux au 3 moyen d'un système antennaire plus simple et plus facilement industrialisable, et/ou à minimiser les interférences entre faisceaux. Certains modes de réalisation de l'invention permettent également d'obtenir une plus grande flexibilité dans la définition des faisceaux. 5 Un objet de l'invention, permettant d'atteindre ces buts, est donc un procédé de couverture multifaisceaux d'une région de la surface terrestre comportant : la génération, par une charge utile de télécommunications embarquée 10 sur un satellite, d'une pluralité de faisceaux à radiofréquence, dits faisceaux élémentaires (FE1, FE2, FE4) ; la formation d'une pluralité de faisceaux à radiofréquence, dits composites (FC', FC"), présentant des empreintes au sol de tailles différentes, chaque dit faisceau composite étant obtenu par regroupement d'un ou 15 plusieurs faisceaux élémentaires ; et - l'émission ou la réception de données à travers lesdits faisceaux composites, des données identiques étant émises ou reçues à travers tous les faisceaux élémentaires formant un même faisceau composite ; dans lequel au moins un dit faisceau composite est formé par regroupement 20 d'une pluralité de faisceaux élémentaires non adjacents et de même couleur, une couleur étant définie par une bande de fréquence et un état de polarisation. Avantageusement, le procédé comprend l'introduction d'un 25 déphasage entre au moins deux desdits faisceaux élémentaires de même couleur Avantageusement, ledit déphasage est une inversion de phase. 30 En variante, ledit déphasage est une mise en quadrature de phase. 4 Avantageusement, une pluralité desdits faisceaux élémentaires présente des empreintes au sol de taille sensiblement identique. 5 Avantageusement, tous lesdits faisceaux élémentaires présentent des empreintes au sol de taille sensiblement identique. Avantageusement, les empreintes au sol desdits faisceaux composites présentent des tailles qui varient de manière progressive à travers 10 ladite région de la surface terrestre. Avantageusement, tous les faisceaux élémentaires formant un même faisceau composite sont générés en même temps. 15 En variante, tous les faisceaux élémentaires formant un même faisceau composite sont générés à tour de rôle. L'invention se rapporte aussi à une Charge utile de télécommunications par satellite pour la mise en oeuvre d'un procédé prédéfini 20 comprenant : une pluralité d'antennes sources (SI - S4) ; au moins un réflecteur (R) agencé pour coopérer avec lesdites antennes sources de manière à générer un faisceau à radiofréquence, dit faisceau élémentaire, pour chaque dite antenne source ; et 25 une pluralité de modules d'émission ou de réception (MTRA, MTRB) configurés pour émettre ou recevoir des données respectives sous la forme de signaux à radiofréquence ; chaque dite antenne source appartient à un groupement d'antennes sources, au moins certains desdits groupements comprenant une pluralité d'antennes 30 sources ; chaque dit module d'émission est relié à l'ensemble des antennes sources appartenant à un même groupement, de telle sorte que les faisceaux 5 élémentaires générés par les antennes sources d'un même groupement forment un faisceau composite ; lesdits groupements d'antennes sources étant configurés de telle sorte qu'une pluralité desdits faisceaux composites présentent des empreintes au sol de 5 tailles différentes ; et les antennes élémentaires d'au moins un dit groupement sont configurées pour générer des faisceaux élémentaires non adjacents et de même couleur, une couleur étant définie par une bande de fréquence et un état de polarisation 10 Avantageusement, un déphaseur (DO) est agencé entre au moins une antenne élémentaire d'au moins un dit groupement configuré pour générer des faisceaux élémentaires non adjacents et de même couleur et le module d'émission ou de réception correspondant. 15 Avantageusement, ledit ou chaque dit déphaseur est un inverseur de phase. Avantageusement, ledit ou chaque dit déphaseur est 20 configuré pour effectuer un déphasage à 900 . Avantageusement, lesdits groupements d'antennes sources sont configurés de telle sorte que tous lesdits faisceaux élémentaires présentent des empreintes au sol de taille sensiblement identique 25 Avantageusement, au moins un dit module d'émission ou de réception est équipé d'un commutateur configuré pour relier ledit module aux antennes élémentaires correspondantes à tour de rôle. 30 D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : 6 - La figure 1, décrite plus haut, la couverture multifaisceaux d'une région présentant une densité d'utilisateur fortement variable ; - les figures 2A à 2C, un mode de réalisation d'une couverture multifaisceaux ; et 5 - la figure 3, une charge utile de télécommunications selon un mode de réalisation de l'invention. Un principe à la base de l'invention consiste à couvrir la région d'intérêt avec des faisceaux fins de taille identique - ou tout au plus présentant un nombre réduit (par exemple 2 ou 3) de tailles différentes - qui 10 peuvent être combinés entre eux, en particulier dans les zones de trafic moins dense, pour générer des faisceaux « composites » plus larges. Ainsi, les faisceaux de plus grandes dimensions ne sont pas générés par des réflecteurs dédiés ou par des sources désadaptées à la taille des réflecteurs, mais en combinant des faisceaux élémentaires fins. Cela présente plusieurs 15 avantages par rapport à l'art antérieur : - le système antennaire est beaucoup plus simple et modulaire, car il peut être constitué uniquement de sources identiques et d'un faible nombre de réflecteurs, également identiques entre eux ; - les pentes des diagrammes restent raides même pour les 20 faisceaux de plus grande taille, minimisant les interférences ; - il y a une plus grande liberté dans le choix de la forme des faisceaux composites ; par ailleurs, un faisceau composite peut résulter de la combinaison de faisceaux élémentaires non contigus ce qui, comme cela sera expliqué plus loin, autorise une plus grande flexibilité dans l'allocation des 25 ressources spectrales et/ou de puissance. Les figures 2A à 2C illustrent deux variantes d'une couverture multifaisceaux dans laquelle trois faisceaux élémentaires non adjacents et de même couleur, FE1, FE2 et FE4 - dont les courbes de iso-intensité sont illustrées sur la figure 2A - sont combinés pour former un faisceau composite 30 désigné par FC' sur la figure 2B et par FC" sur la figure 2C. Comme dans le cas précédent, cela signifie que les mêmes données transitent par ces trois faisceaux élémentaires, afin de servir des régions - géographiquement 7 séparées entre elles - présentant une faible densité de trafic. Les faisceaux composites FC' et FC" sont obtenus très simplement en connectant les antennes sources correspondantes à un même amplificateur de puissance (en émission) ou à bas bruit (en réception). Dans le cas de la figure 2B, les 5 faisceaux élémentaires de même couleur sont sommés en phase (sommation dite en puissance). Dans le cas de la figure 2C, par contre, un déphaseur de 900 est introduit entre cet amplificateur et l'antenne source du faisceau élémentaire FE2, et un déphaseur de 1800 est introduit entre cet amplificateur et l'antenne source du faisceau élémentaire FE4. Comme on peut le voir en 10 comparant les figures 2B et 2C, l'opposition de phase entre les faisceaux FE1 et FE4 produit une annulation de champs entre les faisceaux FE1 et FE4. La mise en quadrature de phase des faisceaux FE1 et FE2, et également des faisceaux FE2 et FE4, permet également de concentrer l'intensité électromagnétique dans les régions devant effectivement être couvertes, en 15 raidissant la pente du diagramme de rayonnement du faisceau composite, sans qu'il n'y ait d'annulation totale de champs comme c'est le cas en opposition de phase. Les trois faisceaux élémentaires interfèrent entre eux, car ils sont d'une même couleur, même si ces interférences sont modérées du fait de la séparation spatiale entre faisceaux. L'introduction de tels 20 déphasages perd son intérêt quand les faisceaux élémentaires sont tellement éloignés que leur interférence devient négligeable. Des configurations plus complexes, associant plusieurs faisceaux - et le cas échéant avec des déphasages différents de 900 et 180° entre eux - sont bien entendu possibles. 25 Il est également possible de réaliser des faisceaux composites combinant des faisceaux élémentaires non adjacents et de couleurs différentes. Le fait de former des faisceaux composites « non connexes », à partir de faisceaux élémentaires non adjacents, peut s'avérer avantageux du 30 point de vue de la gestion des ressources. En effet, dans un faisceau composite, plusieurs régions géographiques distinctes partagent des mêmes ressources : fréquences, puissance, voire temps de transmission, comme cela 8 sera expliqué plus loin. Si ces régions sont éloignées entre elles, leurs conditions météorologiques seront décorrélées : si, par exemple, la région couverte par le faisceau élémentaire FE1 se trouve en conditions de forte atténuation à cause d'un orage, l'atténuation sera probablement moindre dans 5 les régions couvertes par FE2 et FE4. Il sera donc possible d'attribuer plus de ressources à FE1 sans trop dégrader le service offert par FE2 et FE4. Dans le cas de faisceaux adjacents, cela est plus difficile en raison de la corrélation élevée entre les conditions météorologiques entre des régions proches. Si les faisceaux élémentaires sont très éloignés entre eux, il sera même possible de 10 profiter d'un décalage horaire entre les régions correspondantes, en retirant des ressources aux faisceaux couvrant des régions en « heures creuses » au profit de ceux faisant partie du même faisceau composite et couvrant des régions en « heures pleines ». Jusqu'à présent on a considéré uniquement le cas où des 15 données transitent en même temps à travers tous les faisceaux élémentaires d'un même faisceau composite, ces faisceaux élémentaires se partageant les ressources de fréquence et de puissance attribuées au faisceau composite. En variante, il est possible d'activer à tour de rôle les différents faisceaux élémentaires d'un même faisceau composite, au moyen d'un commutateur 20 disposé dans la charge utile du satellite. Ainsi, chaque faisceau élémentaire utilise - mais seulement pendant une fraction de temps - la totalité des ressources disponibles. La figure 3 illustre, de manière très schématique, la structure d'une charge utile de télécommunications, embarquée sur un satellite, 25 permettant la réalisation d'une couverture multifaisceaux telle que décrite plus haut. Une telle charge utile, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, comprend : - Deux modules de transmission ou réception - MTRA et MTRB pour générer les signaux devant être transmis par l'intermédiaire de 30 faisceaux composites respectifs (en émission) ou pour acquérir les signaux reçus par ces faisceaux (en réception). Chaque module de transmission ou réception comprend au moins un amplificateur de puissance et/ou à bas bruit. 9 - Quatre antennes sources S1 - S4 (cornets électromagnétiques) destinés à générer chacun un faisceau élémentaire respectif. - Un réflecteur R coopérant avec les antennes sources pour 5 générer lesdits faisceaux. En réalité, un système antennaire selon l'invention comprend typiquement plusieurs réflecteurs et un nombre bien plus élevé d'antennes sources. Le module MTRA est relié à trois antennes sources 51, S2, S3 10 pour réaliser un faisceau composite « non connexe », du type des figures 2A à 2C. Un déphaseur DO est disposé entre le module et l'antenne source S3. Enfin, le module MTRB est relié à une seule antenne source, S4, pour réaliser un faisceau « composite » fin, constitué par un seul faisceau élémentaire. 15 On remarque que le système antennaire de la charge utile représentée sur la figure 3 comprend uniquement des antennes sources identiques entre elles, coopérant avec un réflecteur unique (ou des réflecteurs identiques). Il s'agit donc d'une structure plus simple et plus modulaire que celle d'un système antennaire multifaisceaux classique, comprenant des 20 antennes sources et/ou REVENDICATIONS1. Procédé de couverture multifaisceaux d'une région de la surface terrestre comportant : la génération, par une charge utile de télécommunications embarquée sur un satellite, d'une pluralité de faisceaux à radiofréquence, dits faisceaux élémentaires (FEI , FE2, FE4) ; la formation d'une pluralité de faisceaux à radiofréquence, dits composites (FC', FC"), présentant des empreintes au sol de tailles différentes, 10 chaque dit faisceau composite étant obtenu par regroupement d'un ou plusieurs faisceaux élémentaires ; et l'émission ou la réception de données à travers lesdits faisceaux composites, des données identiques étant émises ou reçues à travers tous les faisceaux élémentaires formant un même faisceau composite ; 15 dans lequel au moins un dit faisceau composite est formé par regroupement d'une pluralité de faisceaux élémentaires non adjacents et de même couleur, une couleur étant définie par une bande de fréquence et un état de polarisation. 20 2. Procédé selon la revendication 1 comprenant l'introduction d'un déphasage entre au moins deux desdits faisceaux élémentaires de même couleur 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel ledit déphasage est une 25 inversion de phase. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit déphasage est une mise en quadrature de phase. 30 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel une pluralité desdits faisceaux élémentaires présente des empreintes au sol de taille sensiblement identique 11 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel tous lesdits faisceaux élémentaires présentent des empreintes au sol de taille sensiblement identique 5 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel les empreintes au sol desdits faisceaux composites présentent des tailles qui varient de manière progressive à travers ladite région de la surface terrestre. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel tous les faisceaux élémentaires formant un même faisceau composite sont générés en même temps. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel tous les 15 faisceaux élémentaires formant un même faisceau composite sont générés à tour de rôle. 10. Charge utile de télécommunications par satellite pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant : 20 - une pluralité d'antennes sources (S1 - S4) ; - au moins un réflecteur (R) agencé pour coopérer avec lesdites antennes sources de manière à générer un faisceau à radiofréquence, dit faisceau élémentaire, pour chaque dite antenne source ; et une pluralité de modules d'émission ou de réception (MTRA, MTRB) 25 configurés pour émettre ou recevoir des données respectives sous la forme de signaux à radiofréquence ; caractérisée en ce que : chaque dite antenne source appartient à un groupement d'antennes sources, au moins certains desdits groupements comprenant une pluralité 30 d'antennes sources ; en ce que chaque dit module d'émission est relié à l'ensemble des antennes sources appartenant à un même groupement, de telle sorte que les faisceaux 12 élémentaires générés par les antennes sources d'un même groupement forment un faisceau composite ; lesdits groupements d'antennes sources étant configurés de telle sorte qu'une pluralité desdits faisceaux composites présentent des empreintes au sol de 5 tailles différentes ; et en ce que les antennes élémentaires d'au moins un dit groupement sont configurées pour générer des faisceaux élémentaires non adjacents et de même couleur, une couleur étant définie par une bande de fréquence et un état de polarisation 10 11. Charge utile de télécommunications selon la revendication 10 dans lequel un déphaseur (DO) est agencé entre au moins une antenne élémentaire d'au moins un dit groupement configuré pour générer des faisceaux élémentaires non adjacents et de même couleur et le module d'émission ou de réception correspondant. 12. Charge utile de télécommunications selon la revendication 11 dans lequel ledit ou chaque dit déphaseur est un inverseur de phase. 13. Charge utile de télécommunications selon la revendication 11 dans lequel ledit ou chaque dit déphaseur est configuré pour effectuer un déphasage à 90°. 14. Charge utile de télécommunications selon l'une des revendications 10 25 à 13 dans lequel lesdits groupements d'antennes sources sont configurés de telle sorte que tous lesdits faisceaux élémentaires présentent des empreintes au sol de taille sensiblement identique 15. Charge utile de télécommunications selon l'une des revendications 10 30 à 14 dans lequel au moins un dit module d'émission ou de réception est équipé d'un commutateur configuré pour relier ledit module aux antennes élémentaires correspondantes à tour de rôle.