INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Il existe actuellement différents systèmes pour la surveillance de l’espace. La surveillance de l’espace est notamment souvent assurée à partir de moyens optiques au sol avec des télescopes opérés par des agences spatiales ou des opérateurs privés. L’observation optique ne permet cependant pas d’obtenir une continuité de la surveillance (elle ne peut avoir lieu que la nuit et elle dépend des conditions atmosphériques). De plus, l’observation optique ne permet pas d’obtenir de manière simple une information sur la distance de l’objet surveillé (il convient pour cela de recourir à des méthodes de triangulation à partir de l’observation simultanée de plusieurs télescopes). En outre, les performances de détection de ces systèmes optiques dépendent des propriétés réflectives des objets surveillés.
La mesure dans le domaine micro-onde permet d’obtenir une alternative ou un complément intéressant à la mesure optique. Certains radars au sol opérant dans le domaine micro-onde permettent en effet la détection et le suivi d’objets en orbite basse. Néanmoins, les performances de ces radars sont insuffisantes pour détecter des petits objets proches de l’arc géostationnaire. De plus, ces systèmes requièrent une infrastructure particulièrement coûteuse.
Quelques radars au sol sont capables de détecter des objets de taille significative situés à proximité de l’arc géostationnaire. Néanmoins, ces radars emploient des ouvertures d’antenne de plusieurs dizaines de mètres, ce qui limite la portion de l’espace observée dans la mesure où il devient particulièrement difficile de modifier le pointage de l’antenne du radar. De plus, les puissances radiofréquences mises en jeu sont très importantes (plusieurs mégawatts) et le coût de l’infrastructure est extrêmement important. Aussi, ces radars ne permettent généralement pas de détecter des objets de petites tailles (par exemple inférieure au mètre) situés à proximité de l’arc géostationnaire.
Certains de ces radars sont des radars bistatiques. Un radar bistatique, contrairement à un radar monostatique, est un radar pour lequel l’émetteur et le récepteur ne sont pas colocalisés. Cette dissociation entre émission et réception impose des contraintes de synchronisation mais permet d’atteindre des géométries de mesure de l’objet différentes de celles offertes par un radar monostatique. Pour ces radars bistatiques, l’émetteur et le récepteur sont tous les deux implantés au sol.
Il existe également des solutions basées sur des radars embarqués à bord de satellites placés en orbite autour de la Terre. Ces solutions ne s’avèrent cependant pas satisfaisantes en termes de couverture spatiale et/ou temporelle de l’observation, ou en termes de performances de détection.
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une solution relativement peu coûteuse pour détecter et suivre la position d’un objet dans l’espace avec des performances satisfaisantes même lorsque l’objet est de petite taille (par exemple avec des dimensions inférieures au mètre) et situé à une grande distance de la Terre (par exemple à proximité de l’arc géostationnaire).
A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention un procédé de détection d’un objet dans l’espace à l’aide d’un radar bistatique. Le radar bistatique comporte un système émetteur situé à la surface de la Terre et un système récepteur au moins partiellement embarqué dans un satellite en orbite autour de la Terre. Le procédé comporte les étapes suivantes : une réception, par la partie du système récepteur embarquée dans le satellite, d’un signal de recherche correspondant à un signal radiofréquences émis par le système émetteur et réfléchi ou diffracté par ledit objet, un traitement numérique, par une unité de contrôle du système récepteur, du signal de recherche reçu pour déterminer une information représentative de la distance entre l’objet et le satellite, une estimation, par une unité de localisation du système récepteur, de la position de l’objet à partir de l’information déterminée par l’unité de contrôle.
On entend par « espace » la région située au-delà d’une altitude de 100 kms par rapport à la surface de la Terre.
Par « radar bistatique », on entend un radar dont le système émetteur et le système récepteur ne sont pas colocalisés. Le radar fonctionne dans le domaine des radiofréquences, c’est-à-dire pour des signaux dont la fréquence d’onde électromagnétique varie entre 3 kHz (kilohertz) et 300 GHz (gigahertz). L’utilisation de signaux radiofréquences (couramment appelés « signaux radio ») permet de s’affranchir des contraintes liées aux conditions d’éclairement et météorologiques (ce qui n’est pas le cas pour les radars optiques). D’autre part, cela permet d’accéder relativement facilement à des informations sur la distance de l’objet à détecter.
Le système récepteur du radar bistatique comporte une chaine de réception radio, une unité de contrôle et une unité de localisation. Au moins une partie de la chaîne de réception est destinée à être embarquée à bord d’un satellite en orbite autour de la Terre. Ceci garantit une certaine proximité entre l’objet à détecter et la partie de la chaine de réception radio embarquée dans le satellite, ce qui permet d’avoir une sensibilité de détection plus importante pour cet objet. L’unité de contrôle et/ou l’unité de localisation peuvent être embarquées dans le satellite, ou bien elles peuvent être basées dans une station de réception au sol. Il peut en effet être avantageux de déporter au sol les opérations les plus contraignantes en termes de calcul afin de simplifier la conception et ainsi réduire le coût de la charge utile du satellite. L’unité de contrôle supporte principalement des fonctions de traitement de signal. L’unité de contrôle peut également supporter dans certains cas des fonctions de contrôle d’une ou plusieurs antennes du satellite.
Le système émetteur du radar bistatique est en revanche situé au sol, à la surface de la Terre. L’absence d’émission par le satellite pour détecter un objet simplifie la conception de la charge utile du satellite (cela limite les contraintes sur la dissipation thermique et sur la compatibilité électromagnétique qui apparaissent inévitablement avec l’intégration d’un instrument actif sur une plate-forme satellitaire). De plus, cette absence d’émission pour détecter un objet confère au satellite une certaine discrétion puisque cela limite les possibilités de détecter le satellite à partir de ses propres émissions radio.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le système émetteur et le système récepteur sont configurés pour coopérer l’un avec l’autre : la partie du système récepteur embarquée dans le satellite comporte une antenne de recherche pour recevoir le signal de recherche, et le procédé comporte une étape d’orientation de l’antenne de recherche pour couvrir une zone de l’espace illuminée par le système émetteur.
On parle de radar bistatique « actif » lorsque le système émetteur et le système récepteur du radar bistatique coopèrent l’un avec l’autre. Dans un tel cas, le système récepteur a accès à des informations relatives aux signaux émis par le système émetteur via un canal de communication ad-hoc (par exemple la direction, l’instant d’émission ou la fréquence d’émission d’un signal émis par le système émetteur) ce qui peut favoriser le procédé de détection d’un objet. Une stratégie de balayage coordonnée des zones illuminées respectivement par le système émetteur et le système récepteur peut notamment être envisagée.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le radar bistatique est passif. Le système émetteur et le système récepteur sont alors opérés indépendamment l’un de l’autre.
On parle de radar bistatique « passif » lorsque le système émetteur et le système récepteur du radar bistatique ne coopèrent pas l’un avec l’autre. Le système récepteur utilise alors de façon opportune les signaux émis par le système émetteur. De telles dispositions sont avantageuses dans la mesure où elles permettent de réutiliser des infrastructures existantes et il n’est pas nécessaire de construire et d’opérer un système émetteur spécifiquement associé au système récepteur.
Dans l’exemple illustré à la , l’unité de contrôle 30 prend en entrée les échantillons numériques de la voie de recherche 20a et les échantillons numériques de la voie de référence 20b. Comme cela a été expliqué précédemment, la voie de référence 20b est facultative, par exemple si une réplique du signal de référence est enregistrée sous la forme d’un ensemble d’échantillons numériques dans une mémoire de l’unité de contrôle 30 ou générée par l’unité de contrôle 30 à partir d’une séquence d’initialisation.
Dans l’exemple illustré à la , l’unité de contrôle 30 comporte trois modules distincts correspondant à trois fonctionnalités différentes. Un premier module 31 prend en charge le calcul d’une fonction d’ambiguïté entre le signal de recherche et le signal de référence fournis sous forme numérique respectivement sur la voie de recherche 20a et sur la voie de référence 20b. La fonction d’ambiguïté correspond à des valeurs de corrélation entre les signaux décalés en fréquence. Le domaine du décalage fréquentiel est par exemple balayé en tenant compte du décalage fréquentiel maximal attendu entre le signal de recherche et le signal de référence en fonction notamment du décalage Doppler maximal atteignable par les objets à détecter. Le domaine temporel est également découpé en plusieurs intervalles d’une période de mesure de durée prédéterminée. Un deuxième module 33 s’occupe d’identifier des maxima locaux de la fonction d’ambiguïté suffisamment élevés par rapport au bruit thermique pour détecter avec une confiance suffisante un signal réfléchi par un objet dans le signal de la voie de recherche (il s’agit par exemple d’identifier les points dans le plan temps/fréquences pour lesquels des valeurs de corrélation supérieures à un seuil prédéterminé sont obtenues). Plusieurs maxima locaux de la fonction d’ambiguïté peuvent apparaître, notamment si un signal est réfléchi par plusieurs objets, ou si un objet réfléchit plusieurs signaux différents en même temps dans une même bande de fréquences.
En cas d’isolation imparfaite de la voie de recherche 20a, le signal de recherche (signal réfléchi) peut contenir le signal de référence (signal direct). Les pics de la fonction d’ambiguïté peuvent alors être masqués par l’autocorrélation à décalage temporel et fréquentiel nul du signal de référence. Pour limiter ces inconvénients, l’unité de contrôle 30 peut avantageusement comporter un troisième module 32 visant à supprimer le signal direct dans le signal de recherche. Une méthode possible à cette fin est d’estimer l’amplitude et la phase du signal direct et de soustraire le signal acquis sur la voie de recherche avec la bonne amplitude et le bon déphasage.
Il convient de noter que les trois modules 31, 32, 33 susmentionnés peuvent être implémentés dans une seule et même entité physique (processeur, circuit à logique programmable ou circuit électronique dédié) ou dans plusieurs entités physiques différentes.
La présence d’un signal réfléchi par un objet 70 dans le signal total capté par la voie de recherche 20a du système récepteur 10 entrainera la présence d’un maximum sur la fonction d’ambiguïté. La position dans le plan temps/fréquence du maximum de la fonction d’ambigüité peut être liée à une information sur la distance de l’objet 70 par rapport au satellite 50. Par exemple, un décalage temporel entre le signal direct et le signal réfléchi est représentatif de la différence de longueur du chemin parcouru par le signal entre son émission et sa réception en ligne de vue directe et celle du chemin pris par le signal réfléchi par l’objet. Un décalage fréquentiel entre le signal direct et le signal réfléchi est représentatif de la vitesse d’évolution de cette différence de chemin. De plus l’antenne de recherche 21a peut permettre d’obtenir une information de localisation angulaire, par exemple dans le cas où l’antenne de recherche 21a présente une certaine directivité et une capacité de pointage.
La capacité de détection d’un objet 70 est le principal indicateur de performance du système. Cette capacité de détection peut être quantifiée par le rapport signal à bruit lors du calcul de la fonction d’ambiguïté. Ce rapport signal à bruit est très proche du rapport signal à bruit du signal de recherche si l’on suppose que le rapport signal à bruit du signal de référence est très supérieur au rapport signal à bruit du signal de recherche. Ce rapport signal à bruit dépend de la durée d’intégration du signal. Cette intégration cohérente du signal permet d’accroitre le rapport signal à bruit en accumulant dans le temps des signaux réfléchis successifs. Cette durée d’intégration ne peut cependant pas être accrue indéfiniment car cela nécessite une géométrie et une attitude de l’objet qui varient peu au cours du temps. Cela entraîne une résolution de plus en plus importante dans le domaine fréquentiel dans le calcul de la fonction d’ambiguïté, ainsi qu’un accroissement du temps requis pour balayer l’espace de recherche dans le cas d’utilisation d’une antenne à balayage. Toutefois, le temps d’intégration peut être plus important que celui habituellement utilisé par les radars terrestres, c’est-à-dire les radars pour lesquels à la fois l’émetteur et le récepteur sont situés à la surface de la Terre (quelques secondes pour le système selon l’invention contre quelques fractions de secondes pour les radars terrestres) compte tenu de la faible dynamique des objets visés.
La détection d’un objet 70 sera obtenue si un pic de la fonction d’ambiguïté surnage du bruit. Le seuil de détection sera ajusté en fonction d’un objectif de fausse alarme et de non détection. Par exemple un seuil de détection de 10 dB permet d’escompter une probabilité de fausse alarme de 10 -4 et une probabilité de détection de 0,9 (sous hypothèse de bruit gaussien). La portée de détection pourra être établie pour une surface équivalente radar (SER) d’un objet 70 et un seuil de détection prédéterminés. La précision sur la mesure de distance effectuée sera de l’ordre de c/B où c est la vitesse de la lumière et B est la largeur de la bande de fréquence occupée par le signal. La vitesse de variation de cette distance sera évaluée par le biais de la mesure de fréquence Doppler.
Tel qu’illustré sur la , le système récepteur 10 peut éventuellement comporter plusieurs voies de recherche 20a et plusieurs voies de référence 20b. Cette pluralité de chaînes de réception permet d’obtenir une capacité de pointage numérique permettant la réjection de signaux interférents, la localisation de source, et/ou l’amélioration du rapport signal à bruit lors du calcul de la fonction d’ambiguïté. Les sorties de chaque voie de réception sont alors routées vers l’unité de contrôle 30. L’unité de contrôle peut comporter des réseaux numériques de formation de faisceaux 34a, 34b (« beam forming network » dans la littérature anglo-saxonne). Le réseau 34a de formation de faisceaux associé aux différentes voies de recherche 20a prend par exemple en charge le traitement d’antenne pour déterminer la position du système émetteur 60 par des algorithmes de détection de la direction d’arrivée d’un signal (dans le cas où la position du système émetteur 60 n’est pas connue a priori par le système récepteur 10), ou pour focaliser le réseau d’antennes de recherche 21a sur un système émetteur 60 particulier (dans le cas où la position du système émetteur 60 est connue a priori par le système récepteur 10), et éventuellement pour annuler des signaux interférents. Le réseau 34b de formation de faisceaux associé aux différentes voies de référence 20b prend par exemple en charge la focalisation du réseau d’antennes de référence 21b pour balayer une zone de recherche et, le cas échéant, mettre en place un traitement d’antenne pour discriminer différents objets.
L’unité de localisation 40 peut elle aussi comporter un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans lesquels est mémorisé un produit programme d’ordinateur sous la forme d’un ensemble d’instructions de code de programme à exécuter. Alternativement ou en complément, l’unité de localisation 40 comporte un ou des circuits logiques programmables (FPGA, PLD, etc.), et/ou un ou des circuits intégrés spécialisés (ASIC), et/ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc. Lorsque l’unité de contrôle 30 et l’unité de localisation 40 sont colocalisées, elles peuvent être implémentées dans une seule et même entité physique (processeur, circuit à logique programmable ou circuit électronique dédié) ou dans plusieurs entités physiques différentes.
L’unité de localisation 40 est configurée pour estimer la position de l’objet 70 à partir de l’information représentative de la distance entre l’objet 70 et le satellite 50 fournie par l’unité de contrôle 30. La illustre schématiquement un exemple de mise en œuvre de cette estimation de la position de l’objet 70 par l’unité de localisation 70. Le point E correspond au système émetteur 60, le point R correspond au satellite 50 qui embarque au moins partiellement le système récepteur 10, le point O correspond à l’objet 70 à détecter. La détermination par l’unité de contrôle 30 d’un décalage temporel entre le signal de recherche et le signal de référence permet d’accéder à la différence entre d’une part la somme (EO + RO) de la distance entre E et O et la distance entre R et O, et d’autre part la distance entre E et R. Connaissant la distance entre E et R, il est possible de localiser O sur l’ellipsoïde 41 dont les foyers sont E et R. Si disponible, et tel qu’illustré sur la , la connaissance de la position du cône d’illumination 42 par le système émetteur 60 et/ou du cône de visibilité 43 du système récepteur 10 peut être exploitée pour limiter l’estimation de la position de l’objet 70 à un secteur angulaire 44 restreint de l’ellipsoïde 41 (dans l’exemple illustré à la ce secteur angulaire 44 correspond à l’intersection entre le cône d’illumination 42, le cône de visibilité 43 et l’ellipsoïde 41).
Il est envisageable d’améliorer la précision de l’estimation de la position de l’objet 70 par le biais de mécanismes de filtrage (par exemple des méthodes particulaires ou de type Kalman étendu) prenant en compte la dynamique de la mécanique spatiale de l’objet 70 et, le cas échéant, des hypothèses plausibles sur le système de propulsion.
L’unité de localisation 40 peut également estimer une trajectoire suivie par l’objet 70 et comparer cette trajectoire estimée à des trajectoires listées dans un catalogue d’objets déjà répertoriés. Le catalogue pourra éventuellement être mis à jour en fonction des mesures réalisées par l’unité de localisation 40 (par exemple par l’ajout d’un objet 70 pas encore répertorié ou la correction d’une trajectoire pour un objet 70 déjà répertorié).
La représente schématiquement les principales étapes d’un procédé 100 de détection d’un objet 70 dans l’espace à l’aide d’un système récepteur 10 d’un radar bistatique selon l’invention.
Le procédé 100 de détection comprend notamment une étape de réception 102, par la partie 10a du système récepteur embarquée dans le satellite 50, d’un signal de recherche 62 correspondant à un signal radiofréquences émis par le système émetteur 60 au sol et réfléchi ou diffracté par l’objet 70. Cette étape est mise en œuvre par la partie de la voie de recherche 20a embarquée dans le satellite 50 en orbite autour de la Terre 90.
Le procédé 100 de détection comprend également une étape de traitement numérique 103, par l’unité de contrôle 30, du signal de recherche reçu pour déterminer une information représentative de la distance entre l’objet 70 et le satellite 50.
Le procédé 100 de détection comprend également une étape d’estimation 104, par l’unité de localisation 40, de la position de l’objet 70 à partir de l’information déterminée par l’unité de contrôle 30.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le système émetteur est un émetteur radar dédié à la surveillance de l’espace.
Un tel émetteur radar est particulièrement bien adapté puisqu’il est conçu spécifiquement pour émettre des signaux radio permettant de détecter des objets dans l’espace. Il peut s’agir de l’émetteur d’un radar bistatique ou d’un radar monostatique.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le système émetteur est une station terrienne de télécommunications par satellite (on parle généralement de « satellite gateway » dans la littérature anglo-saxonne). Il est en effet également possible d’exploiter de façon opportune des signaux en provenance d’une ou plusieurs stations terriennes de télécommunications par satellite d’un ou plusieurs systèmes de communication par satellite.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé de détection comporte en outre une étape de réception, par la partie du système récepteur embarquée dans le satellite, d’un signal de référence directement reçu en provenance du système émetteur. L’étape de traitement numérique comporte le calcul d’une fonction d’ambiguïté entre le signal de recherche et le signal de référence. La partie du système récepteur embarquée dans le satellite comporte une antenne de référence orientée vers la Terre pour recevoir le signal de référence ainsi qu’une antenne de recherche orientée vers une zone de l’espace située à l’opposé de la Terre par rapport au satellite pour recevoir un signal de recherche réfléchi par l’objet.
Par « directement reçu en provenance du système émetteur », on entend que le signal de référence émis par le système émetteur n’a pas subi de réflexion avant d’atteindre l’antenne de référence du système récepteur (contrairement au signal de recherche réfléchi par l’objet à détecter).
Les orientations de l’antenne de référence et de l’antenne de recherche par rapport à la Terre sont bien entendu décrites par rapport au satellite en considérant que le satellite est en orbite autour de la Terre. De telles dispositions pour l’antenne de référence et de l’antenne de recherche permettent de limiter la contamination du signal de recherche par le signal de référence.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, la partie du système récepteur embarquée dans le satellite comporte une antenne de recherche orientée vers la Terre pour recevoir un signal de recherche diffracté par l’objet, et le traitement numérique comporte un calcul d’une signature Doppler à partir dudit signal de recherche.
De telles dispositions permettent d’exploiter le principe de « diffusion vers l’avant » qui se produit lorsqu’un objet (cible radar) se trouve à proximité de la ligne de visée entre l’émetteur et le récepteur d’un radar bistatique. La projection de l’objet dans un plan orthogonal à la ligne de visée rayonne suivant le principe de la diffraction de Huygens selon une directivité inversement proportionnelle à la dimension de l’objet et proportionnelle à la longueur d’onde. L’évolution de l’effet Doppler observé dans le signal reçu en fonction du temps permet d’obtenir des informations sur la distance et la vitesse de l’objet.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le satellite est en orbite géostationnaire ou proche d’une orbite géostationnaire.
On entend par « proche d’une orbite géostationnaire » que l’objet est situé à une altitude variant entre 30000 kms et 40000 kms par rapport à la surface de la Terre.