Brevet FR3124605A1 — publié le 20221230

Procédé de cartographie de l’ionosphère comportant les étapes suivantes : réception par un récepteur GNSS (110) équipant un aéronef (10) de signaux de radionavigation (111) émis simultanément selon fréquences par un satellite (101), datés selon la référence de temps du satellite et comportant des données d’éphémérides ; traitement des signaux pour déterminer une information comportant les phases des signaux reçus au niveau de l’aéronef, les positions des satellites dans le repère géodésique des satellites au moment de l’émission des signaux émis, les dates et positions de réception des signaux reçus selon la référence de la constellation et transmission à une unité de traitement ; détermination par l’unité, pour chacun des satellites d’un indice de contenu électrique total oblique selon la direction entre l’aéronef et ledit satellite, d’un indice de contenu électronique total selon la verticale du lieu de l’aéronef. Fig ure pour la publication : Fig . 2 Procédé d’estimation et de prédiction d’un indice de contenu électronique total à la verticale des mers et océans De manière générale, la présente invention concerne le domaine de la radionavigation, en particulier un dispositif de poursuite intègre de signaux de radionavigation par satellite, appelés également « signaux GNSS » (du terme anglais Global Navigation Satellite System) par la suite. La présente invention se rapporte à un procédé d’estimation et de prédiction d’un indice de contenu électronique total. État de la technique antérieure L’état de la technique antérieure est décrit en référence à . Les radiocommunications entre la Terre et l’espace ou la radionavigation par satellite sur Terre sont impactées par les retards de propagation et les scintillations causés par l’ionosphère 106 dont les effets dépendent notamment de l’activité solaire. En effet, le Soleil 104 émet des rayons, notamment ultraviolets 105, qui ionisent une couche de la haute atmosphère appelée thermosphère (un milieu électriquement neutre). Ce phénomène d’ionisation est à l’origine de l’ionosphère 106. En conséquence, l’ionosphère est caractérisée par des zones électriquement chargées (ions ou électrons), appelées plasma. La densité de ce plasma varie par exemple pendant les transitions entre le jour et la nuit. Prédire les variations de l’ionosphère permet d’anticiper l’indisponibilité des services de radiocommunications entre la Terre et l’espace ou les erreurs de la radionavigation par satellites sur Terre. Dans le cas de la radionavigation par satellite, les satellites GNSS 101 (pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites ) émettent des signaux 102 en direction de leur nadir et à destination des utilisateurs équipés de récepteurs qui peuvent déterminer leur position par triangulation grâce à l’analyse des signaux émis par au moins quatre satellites GNSS. Or les variations de densité de l’ionosphère retardent les signaux 102 émis qui traversent l’ionosphère 107. Le récepteur GNSS de l’utilisateur sur Terre 103 collecte des signaux GNSS incidents 108 et mesure par démodulation des signaux et par corrélation entre ces signaux avec une réplique du signal attendu, la pseudodistance entre sa position et le satellite GNSS visible de la constellation GNSS. Le retard de propagation dû à l’ionosphère introduit donc un biais de mesure dans ce procédé de positionnement et donc contribue à l’erreur de navigation. Pour limiter les erreurs de positionnement par satellite, l’homme de l’art mesure la densité de l’ionosphère par comparaison de phases entre deux signaux émis simultanément par un même satellite GNSS et reçu par un même récepteur capable de collecter simultanément et traiter ces signaux. L’ionosphère est alors caractérisée par un contenu électronique total qui représente le nombre total d’électrons présents le long d’un tube d’un mètre carré de section. L’ionosphère comporte des zones électriquement chargées (ions ou électrons), appelées aussi plasma. Lorsque des variations de densité ont lieu dans le plasma, par exemple induites par les transitions jours/nuits, l’indice de réfraction du milieu évolue selon la formule d’Appleton-Hartee : (1) Avec la densité électronique, la charge d’un électron, la masse d’un électron, la permittivité diélectrique du vide et la fréquence de l’onde qui se propage dans le milieu. Par conséquent lorsqu’une onde électromagnétique se propage dans le milieu elle est réfractée. Ce phénomène de réfraction dépend de la fréquence de l’onde électromagnétique et induit un retard de propagation, appelé retard ionosphérique, qui modifie la phase de l’onde électromagnétique. À partir de la mesure de phase d’au moins deux signaux émis simultanément et portés sur des fréquences différentes, l’homme de l’art peut estimer l’indice de réfraction et donc la densité électronique de la zone de l’ionosphère traversée par ces signaux. Cependant, les stations d’observation de l’ionosphère étant localisées sur les continents, l’ionosphère n’est pas caractérisée de manière globale, limitant la précision des services de prédiction du contenu électronique total. Un but de l’invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités. Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un procédé de cartographie de l’ionosphère comportant les étapes suivantes : E1 : réception par un récepteur GNSS de signaux de radionavigation en instant , ledit récepteur GNSS équipant un aéronef se trouvant à la longitude , à la latitude , et à l’altitude , lesdits signaux étant émis simultanément selon , fréquences distinctes notées par un ou plusieurs satellites GNSS (101) à fréquences multiples d’indice noté , lesdits signaux émis étant datés selon la référence de temps dudit satellite GNSS et comportant des données d’éphémérides dudit satellite GNSS, E2 : traitement des signaux reçus pour déterminer une information comportant : a) les phases des signaux reçus au niveau de l’aéronef, les phases étant notées ϕ_(s,k) (φ,λ,h,t), b) les positions (x) des satellites GNSS dans le repère géodésique des satellites GNSS au moment de l’émission des signaux émis, c) les dates et positions de réception (φ, λ, h, t) des signaux reçus selon la référence de la constellation GNSS des satellites GNSS, E3 : transmission de l’information ainsi déterminée à destination d’une unité de traitement, E4 : détermination par ladite unité de traitement, pour chacun des satellites GNSS : d’un indice de contenu électrique total oblique selon la direction entre l’aéronef et ledit satellite GNSS à partir de l’ambiguïté liée aux mesures des phases , le contenu électrique total oblique étant le rapport de la différence des phases corrigée de l’ambiguïté liée aux mesures des phases , sur la différence des inverses des fréquences ce qui peut s’obtenir par inversion de l’équation qui peut s’écrire : d’un indice de contenu électronique total selon la verticale du lieu de l’aéronef , ledit indice de contenu électronique total étant obtenu par projection selon le cosinus directeur entre le satellite et le porteur, ce qui peut s’écrire : . Selon une possibilité, l’information de l’étape E2 comporte en outre l’altitude de l’aéronef. Les dates de réception des signaux reçus peuvent être estimées selon la référence de temps de la constellation GNSS des satellites GNSS. De préférence, l’altitude de l’aéronef est déterminée par le récepteur GNSS équipant l’aéronef. Selon d’autres possibilités, l’altitude de l’aéronef peut être approximée par des données d’altitudes provenant de systèmes, tels que le système de navigation de l’aéronef. L’altitude de l’aéronef peut par exemple être déterminée par un radioaltimètre. Alternativement, l’altitude de l’aéronef peut être déterminée par un, ou plusieurs, baromètre équipant l’aéronef. Le procédé de cartographie de l’ionosphère peut être mis en œuvre par un ou plusieurs aéronefs se situant à la verticale des mers ou des océans. Le procédé peut en outre comporter une étape de prévision de l'évolution spatiale et temporelle de l’indice de contenu électronique total. Description des figures D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de dessins annexés sur lesquels : La illustre l’environnement dans lequel un procédé d’estimation du contenu électrique total de l’ionosphère selon l’art antérieur est mis en œuvre, La illustre l’environnement dans lequel un procédé d’estimation du contenu électrique total de l’ionosphère selon l’invention est mis en œuvre, La illustre une chaîne de démodulation d’un récepteur GNSS, La illustre un système selon l’invention, La illustre un lac de données et une unité de calcul mise en œuvre dans l’invention, La illustre une cartographie obtenue au moyen d’un système et procédé selon l’invention. Description de mode de réalisation Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Sur les figures, un élément apparaissant sur plusieurs figures conserve la même référence. illustre un premier mode de réalisation d’un dispositif et procédé selon l’invention. Selon le premier mode de réalisation, un récepteur GNSS bi-fréquences 110 équipe un porteur mobile 109, par exemple selon les fréquences GPS L1 et L2. Selon une variante, le récepteur GSSS peut être multifréquences. Le porteur mobile 109 est un aéronef représenté sur , pouvant être déployé à la verticale des mers et océans notamment, de façon à compléter les observations de l’ionosphère sur les continents. L’aéronef peut par exemple être à voilure fixe ou tournante, ou encore un ballon, par exemple stratosphérique ou encore un dirigeable. Il est ainsi possible de mieux prédire les déplacements des bulles de plasma entre continents. Le porteur mobile devient ainsi un instrument d’observation de caractéristiques de l’ionosphère. Le procédé comporte une étape E1 de réception de signaux de radionavigation 111, en un instant t, au niveau du porteur mobile 109, par le récepteur GNSS 110, au niveau du porteur mobile 109, lesdits signaux étant émis simultanément selon , fréquences distinctes notées par un ou plusieurs satellites GNSS (101) à fréquences multiples d’indice noté . Les signaux émis par le satellite GNSS à fréquences multiples 101 sont datés selon la référence de temps du satellite GNSS et comportent des données d’éphémérides dudit satellite GNSS à fréquences multiples. Plus précisément, les signaux sont reçus par une antenne de réception 301 du récepteur GNSS 200. L’antenne de réception 301 est par exemple interfacée 302 avec un port d’entrée 201 de circuits de réceptions et de démodulation 303 du récepteur GNSS 110 qui traitent les signaux GNSS portés par les différentes fréquences. Le procédé comporte ensuite une étape E2 de traitement des signaux reçus pour déterminer une information comportant : a) les phases des signaux reçus au niveau du porteur mobile, les phases étant notées , b) les positions (x) des satellites GNSS satellite dans le repère géodésique des satellites GNSS au moment de l’émission des signaux émis, c) les dates et positions de réception ( , , t) des signaux reçus selon la référence de temps du porteur. Les signaux GNSS peuvent être collectés par l’antenne de réception 301 et sont répartis par un répartiteur 202 sur au moins deux voies de réception 203. Il y a autant de voies que de fréquences distinctes, traitées simultanément. Ainsi, il faut 3 voies si on souhaite traiter trois fréquences distinctes en même temps. Mais deux voies suffisent si on traite séquentiellement des couples de fréquences distinctes. Chaque voie réalise des fonctions d’amplification 204, de filtrage 205 et de transposition de fréquence 206 grâce à au moins un oscillateur local 207. Les signaux GNSS sont transposés en bande de base pour être échantillonnés au moyen d’au moins un convertisseur analogique numérique 208. Les signaux GNSS sont ainsi séparés sur différentes voies de réception selon leurs fréquences porteuses. Les signaux numérisés 209 sont ensuite routés vers des corrélateurs 210 qui convoluent ces signaux avec des répliques de signaux GNSS 211 générées par la fonction de pistage 212. Les répliques des signaux GNSS sont générées selon les standards connus de l’homme de l’art et sont propres à chaque constellation de satellites GNSS. Les corrélateurs identifient ensuite les pics de corrélation qu’ils datent selon la référence de temps du récepteur GNSS et caractérisent au moins selon leurs fréquences Doppler. Les informations de date et fréquence Doppler sont transmises aux algorithmes de démodulation 214 au moyen de l’interface 213 entre les corrélateurs et les algorithmes de démodulation. Les algorithmes de démodulation 214 corrigent les signaux de l’effet Doppler et synchronisent le traitement de décodage avec le début du signal selon la référence de temps du récepteur GNSS. Puis, les algorithmes de démodulation décodent le message contenu dans les signaux numérisés selon des méthodes connues de l’homme de l’art et adaptées à la modulation utilisée par la constellation GNSS analysée. De telles méthodes peuvent être retrouvées dans la publication suivante : Kaplan, E.D.   ; Hegarty, C.J. (2017). Understanding GPS: Principles and Applications, 3rd Edition, Artech House Inc., Norwood. L’information utile dans le message décodé contient au moins la date d’émission selon la référence de temps du satellite GNSS et les éphémérides du satellite GNSS qui a émis le message. L’information obtenue successivement par les corrélateurs 210 et les algorithmes de démodulation 214 contient au moins les phases de signaux GNSS, les dates d’émission des signaux selon la référence de temps des satellites GNSS, les dates de réception des signaux selon la référence de temps du porteur, et les positions dans le repère géodésique des satellites GNSS. L’information est transmise à la solution de navigation 215 au moyen de l’interface 216 entre les algorithmes de démodulation 214 et la solution de navigation. La solution de navigation 215 calcule premièrement les pseudodistances pour des signaux détectés par les corrélateurs. Pour calculer une pseudodistance, l’homme de l’art multiplie par exemple le délai entre la date d’émission du signal selon le satellite GNSS et la date de réception du même signal selon le récepteur GNSS, par la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide. La solution de navigation 215 estime ensuite le vecteur position du récepteur GNSS dans le repère géodésique et l’erreur d’horloge entre la référence de temps du récepteur GNSS et la référence de temps des satellites GNSS. La méthode employée est par exemple un algorithme récursif des moindres carrés linéarisés connu de l’homme de l’art. Les entrées de l’algorithme récursif des moindres carrés linéarisés sont les pseudodistances et les cosinus directeurs des satellites GNSS qui ont émis les signaux associés aux pseudodistances. Au moins quatre satellites GNSS sont nécessaires pour la solution de navigation puisqu’au moins quatre inconnues sont à déterminer, à savoir les trois coordonnées de la position du récepteur et le biais d’horloge du récepteur par rapport aux satellites GNSS. L’information obtenue successivement par les corrélateurs 210, les algorithmes de démodulation 214 et la solution de navigation 215 contient au moins les phases de signaux GNSS, les dates d’émission des signaux selon la référence de temps des satellites GNSS, les dates de réception des signaux selon la référence de temps du récepteur GNSS, les positions dans le repère géodésique des satellites GNSS, et la position dans le repère géodésique du récepteur GNSS. L’information est transmise à la fonction de pistage 212 au moyen de l’interface 217 avec la solution de navigation. Le pistage peut ainsi prévoir quels satellites GNSS seront visibles par le récepteur GNSS et générer les répliques des signaux GNSS utilisés par les corrélateurs. L’information est également transmise en sortie du circuit de réception et de démodulation 218. Pour estimer le contenu total d’électrons, au moins une partie de l’information est transmise à un serveur terminal 1, référencé 304, et embarqué sur le porteur mobile 109. L’information utile pour l’estimation du contenu total d’électron contient la datation et localisation des mesures 306, les mesures de phases 307 et 308 des signaux portés par chacune des fréquences et les positions 309 dans le repère géodésique des satellites GNSS associés aux signaux. La datation peut être exprimée selon la référence de temps des satellites GNSS ou selon la référence de temps du récepteur corrigée du biais d’horloge estimé par la solution de navigation. La localisation des mesures correspond à la position dans le repère géodésique du récepteur GNSS, estimée par la solution de navigation. D’autres données 305 peuvent être échangées entre le récepteur GNSS et le serveur terminal 304. Selon un autre mode de réalisation, les mesures de phases peuvent être remplacées ou complétées par les pseudodistances calculées par la solution de navigation. Cependant les pseudodistance peuvent être biaisées par les multitrajets conséquents aux réflexions sur la surface de l’aéronef. L’utilisation des mesures de phases est donc recommandée. Le serveur terminal 304 transmet ces données par liaison sans fil 310 à un second serveur terminal 2, référencé 312, et également équipé d’une liaison sans fil 311. Les données peuvent être certifiées ou chiffrées avant d’être transmises. Le second serveur terminal 312 est interfacé à la plateforme de données 314 au moyen d’un réseau 313 (par exemple internet). La plateforme 314 agrège, dans un lac de données 401, les données des récepteurs GNSS et également, de préférence, des indices solaires et géomagnétiques qui traduisent l’activité solaire. Le procédé comporte une étape E3 de transmission de l’information ainsi déterminée à destination d’une unité de traitement 409. Pour calculer le contenu électronique total, l’unité de traitement 409 utilise des données du lac de données 401, dont des mesures de phases des signaux portés par la première fréquence 405, des mesures de phases des signaux portés par la seconde fréquence 406, qui sont datées et localisées 404, et associées aux positions dans le repère géodésique des satellites GNSS qui ont émis les signaux 407. Un algorithme peut par exemple être implémenté selon la méthode décrite dans la publication suivante, qui est incorporée par référence : Liu, J.Y. ; Tsa, H.F. ; Jung, T.K. ; Total Electron Content Obtained by Using the Global Positioning System; Terr. Atmos. Ocean Sci. (China), 7, 107–117. 5. https://doi.org/10.3319/tao.1996.7.1.107(A). Le procédé comporte une étape E4 de détermination par ladite unité de traitement 409, pour chacun des satellites GNSS, d’un indice de contenu électrique total oblique selon la direction entre le porteur mobile et ledit satellite GNSS, puis le calcul d’un indice de contenu électronique total selon la verticale du lieu du porteur mobile ViTEC(φ,λ,t). L’indice de contenu électrique total oblique selon la direction entre le porteur mobile et ledit satellite GNSS est déterminé à partir de l’ambiguïté liée aux mesures des phases , le contenu électrique total oblique étant le rapport de la différence des phases corrigée de l’ambiguïté liée aux mesures des phases , sur la différence des inverses des fréquences , ce qui peut s’écrire : La quantité représente l’ambiguïté liée aux mesures des phases et qui peut être résolue grâce à la connaissance de la position du récepteur estimée par la solution de navigation et la position dans le repère géodésique des satellites GNSS qui ont émis les signaux. L’indice de contenu électronique total peut être obtenu par projection selon le cosinus directeur entre le satellite et le porteur, ce qui peut s’écrire : . L’indice de contenu électrique total oblique et le contenu électrique total peuvent être obtenus en multipliant, respectivement, l’indice de contenu électrique total oblique et l’indice de contenu électronique total par un coefficient sensiblement égal à 40,3. Le procédé peut en outre comporter une étape de prévision de l'évolution temporelle de l’indice de contenu électronique total. Cette étape de prévision peut combiner des résultats obtenus avec la connaissance spatio-temporelle du contenu total électronique. L’étape de prévision peut en outre mettre en œuvre un algorithme d’apprentissage automatique, pour l’anglais Machine Learning , qui peut également être implémenté, par exemple selon la publication suivante, qui est incorporée par référence : Cheng, N. ; Song, S.; Li, W. (1997). Multi-Scale Ionospheric Anomalies Monitoring and Spatio-Temporal Analysis during Intense Storm. Atmosphere 2021, 12, 215. https://doi.org/10.3390/atmos12020215. L’algorithme de Machine Learning peut également employer d’autres données, tels des indices solaires 402 ou des indices géomagnétiques 403. Le contenu électronique total calculé à la verticale des mers et océans 408 peut être mis à disposition des utilisateurs par exemple dans le lac de données 401. Ces données complètent les mesures 502 selon la localisation et la date 501. La couverture globale des mesures de la densité de l’ionosphère permet d’améliorer l’estimation et la prédiction. Selon une alternative le porteur mobile peut être un navire. Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres. Procédé de cartographie de l’ionosphère comportant les étapes suivantes : E1 : réception par un récepteur GNSS (110) de signaux de radionavigation (111) en instant , ledit récepteur GNSS équipant un aéronef (10) se trouvant à la longitude , à la latitude , et à l’altitude , lesdits signaux étant émis simultanément selon , fréquences distinctes notées par un ou plusieurs satellites GNSS (101) à fréquences multiples d’indice noté , lesdits signaux émis étant datés selon la référence de temps dudit satellite GNSS et comportant des données d’éphémérides dudit satellite GNSS, E2 : traitement des signaux reçus pour déterminer une information comportant : a) les phases des signaux reçus au niveau de l’aéronef, les phases étant notées , b) les positions (x) des satellites GNSS dans le repère géodésique des satellites GNSS au moment de l’émission des signaux émis, c) les dates et positions de réception ( , , t) des signaux reçus selon la référence de la constellation GNSS des satellites GNSS, E3 : transmission de l’information ainsi déterminée à destination d’une unité de traitement (409), E4 : détermination par ladite unité de traitement (409), pour chacun des satellites GNSS : d’un indice de contenu électrique total oblique selon la direction entre l’aéronef et ledit satellite GNSS à partir de l’ambiguïté liée aux mesures des phases , le contenu électrique total oblique étant le rapport de la différence des phases corrigée de l’ambiguïté liée aux mesures des phases , sur la différence des inverses des fréquences ce qui peut s’obtenir par inversion de l’équation qui peut s’écrire : d’un indice de contenu électronique total selon la verticale du lieu de l’aéronef , ledit indice de contenu électronique total étant obtenu par projection selon le cosinus de l’angle directeur entre le satellite et l’aéronef, ce qui peut s’écrire : . Procédé de cartographie de l’ionosphère selon la revendication 1, dans lequel, l’altitude de l’aéronef est déterminée par un radioaltimètre ou un, ou plusieurs, baromètre équipant l’aéronef. Procédé de cartographie de l’ionosphère selon la revendication 1, dans lequel l’altitude de l’aéronef est déterminée par le récepteur GNSS (110). Procédé de cartographie de l’ionosphère selon l’une des deux revendications précédentes, mis en œuvre par un ou plusieurs aéronefs se situant à la verticale des mers ou des océans. Procédé de cartographie de l’ionosphère selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant en outre une étape de prévision de l'évolution spatiale et temporelle de l’indice de contenu électronique total.