# La plate-forme d'expérimentation de Lannemezan-Pic du Midi: un outil exceptionnel pour les études de propagation radioélectrique et de caractérisation de la troposphère

Joël Lemorton, Laurent Castanet, Edith Gimonet, Henri Sauvageot

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Joël Lemorton, Laurent Castanet, Edith Gimonet, Henri Sauvageot. La plate-forme d'expérimentation de Lannemezan-Pic du Midi: un outil exceptionnel pour les études de propagation radioélectrique et de caractérisation de la troposphère. 4es Journées Propagation Electromagnétique du Décamétrique à l'Angström, Mar 2002, Rennes, France. hal-00142820

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Submitted on 8 Jul 2021

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LA PLATE-FORME D'EXPERIMENTATION DE LANNEMEZAN – PIC DU MIDI :
UN OUTIL EXCEPTIONNEL POUR LES ETUDES DE PROPAGATION
RADIOELECTRIQUE ET DE CARACTERISATION DE LA TROPOSPHERE

J. Lemorton(1), L. Castanet(1), E. Gimonet(1), H.Sauvageot (2)

(1) ONERA, DEMR

2 avenue Edouard Belin, BP 4025, F-31055 Toulouse CEDEX 4, France

Tel : +33.5.62.25.27.20 – Fax : +33.5.62.25.25.77 – Email : Joel.Lemorton@onecert.fr

(2) Université Paul Sabatier, Observatoire Midi-Pyrénées, Laboratoire d'Aérologie,
14 avenue Edouard Belin, 31400 Toulouse, France

Mots clés : Propagation, Télécommunications par Satellite, Environnement Terrestre

Résumé

Ce papier a pour but de détailler les derniers
développements de la plate-forme d'expéri-
mentation sur le site de Lannemezan – Pic du
Midi, mettant en œuvre une collection
d'instruments de mesures de propagation et de
caractérisation des constituants de la
troposphère. Cette plate-forme d'expérimen-
tation doit collecter des données
radioélectriques et des données météorolo-
giques, notamment lors des expérimentations
EXPRESS avec le satellite STENTOR, dans le
but d'améliorer l'optimisation des futurs
systèmes de communications par satellite dans
les bandes de fréquences Ka et V, et doit
permettre d'améliorer les connaissances sur
l'environnement terrestre dans le cadre
d'études sur la météorologie et la climatologie

Abstract

The objective of this paper is to describe the
last developments concerning the platform for
propagation experiment located at
Lannemezan - Pic du Midi. A unique
collection of equipment are available there for
propagation measurements and for the
characterisation of troposphere constituents.
This platform will be used to collect
radiowave and meteorological data, especially
during the EXPRESS campaign with
STENTOR satellite. These data will be useful
to improve the optimisation of future satellite
communications systems in Ka and V-bands,
and to deepen the knowledge on the Earth
atmosphere for meteorology and climatology
studies.

INTRODUCTION : Motivations du Projet

Le projet de mise en place d'une plate-
forme d'expérimentation pour les études de
propagation radioélectrique et de
caractérisation de la troposphère résulte de
réflexions menées à l'ONERA et au
Laboratoire d'Aérologie, par rapport à un
double contexte de recherches pour les
télécommunications spatiales et pour la
connaissance de l'environnement terrestre.

Contexte Télécommunications

Les études sur la propagation radio-
électrique, notamment pour les fréquences
élevées, ont été identifiées comme un verrou

technologique pour les prochaines années, par
exemple par les experts du RNRT (Réseau
National de Recherche en Télécommunica-
tions). Ces études doivent en effet permettre
d'aider à valider certains choix techniques sur
les différents éléments des systèmes de
télécommunications - terminal sol (antennes,
composants RF, modems), segment spatial
(antennes, composants RF, traitements
bord, ...) - sur les techniques de communica-
tions (protocoles, accès, ...) et sur l'architecture
même des systèmes. L'explosion de la
demande implique en effet le développement
de nouveaux types de systèmes haut débits
(par exemple, satellites multi-faisceaux à partage de ressource, satellites régénératifs, constellations de satellites, plates-formes stratosphériques) qui posent des problématiques différentes en terme de propagation.

Les satellites expérimentaux ACTS aux Etats-Unis, OLYMPUS et ITALSAT en Europe ont d'ores et déjà permis d'obtenir des données sur la propagation en bande Ka et de tester un certain nombre de services en bande Ka, mais la connaissance du canal de propagation reste encore insuffisante à bien des points de vue. Le programme français STENTOR permettra également de valider certaines technologies utilisables en EHF, et représente une opportunité exceptionnelle pour améliorer la connaissance du canal de propagation [1,2].

Une meilleure prise en compte des effets de propagation pour la conception des futurs systèmes de télécommunications passe par une amélioration des méthodes de prédiction des performances en présence de conditions défavorables, qui sont un facteur limitant pour la disponibilité et la qualité de service notamment. Il convient donc d'approfondir la connaissance de certains phénomènes, de développer de nouveaux modèles de canal permettant de les représenter, et d'intégrer ces modèles et ces connaissances dans les outils d'ingénierie et les bancs de validation des industriels et des opérateurs.

Les problématiques à aborder concernent notamment les propriétés dynamiques et spectrales du canal de propagation à ces fréquences, les propriétés large bande et l'influence des multitrajets, l'implémentation de techniques d'adaptation aux affaiblissements, les caractéristiques spatiales des précipitations, ... Ces problématiques sont au cœur de l'activité actuelle de l'unité de recherches "Antennes et Propagation Radioélectrique" de l'ONERA [3,4,5].

L'utilisation de séries temporelles de propagation constitue par ailleurs un apport déterminant pour mener à bien certaines études d'analyses de performances ou d'optimisation sur la couche physique d'un système de télécommunications. Ces séries peuvent provenir de campagnes de mesures, ou peuvent

être issues de générateurs de synthèse. Dans tous les cas, l'accès à des données réelles reste fondamentale pour la connaissance du canal de propagation. C'est un des objectifs de la plate-forme expérimentale de Lannemezan que de fournir de telles mesures.

## Contexte Environnement Terrestre

Le domaine de la télédétection doit répondre de plus en plus à différents besoins liés à la connaissance de l'environnement terrestre. Une première série de besoins concerne l'influence de l'activité humaine sur l'évolution du climat à court et à moyen termes, ainsi que les prévisions météorologiques. Une deuxième série de besoins concerne l'observation de la Terre, pour différentes thématiques, avec des instruments optiques ou radars de plus en plus performants pour lesquels l'atmosphère peut représenter un obstacle à l'obtention des performances ultimes.

L'évaluation des conséquences des activités humaines sur l'évolution du climat passe par une meilleure compréhension des bilans radiatifs (activité solaire, rejets industriels, influence des nuages, ...) au niveau de l'atmosphère, ce qui nécessite une connaissance fine de la structure et de la composition de l'atmosphère. Depuis une dizaine d'années, notamment grâce à différents programmes expérimentaux (ERS, SSM/I, TRMM, ...), des possibilités nouvelles dans le domaine de la modélisation du climat sont apparues grâce aux instruments satellitaires (radar ou radiomètre), ceci en complément de mesures réalisées au sol. Ces instruments permettent de mesurer des paramètres clés jouant un rôle dans le cycle hydrologique, comme la quantité de vapeur d'eau dans l'atmosphère, le contenu en eau liquide et en glace des nuages, les précipitations. D'autres projets actuellement en cours d'évaluation ou de développement ont pour objectif de mieux caractériser l'atmosphère terrestre dans l'espace et dans le temps à l'aide notamment de radars millimétriques, et d'évaluer l'impact des nuages et des aérosols sur l'équilibre du bilan radiatif de la planète. L'objectif de cette caractérisation de la structure de l'atmosphère sera la fourniture de
données d'entrée pour les modèles de
circulation atmosphérique et l'amélioration de
la fiabilité des prédictions sur l'évolution du
climat.

PLATE-FORME DE LANNEMEZAN –
PIC DU MIDI

La disponibilité de données réelles
caractérisant la propagation radioélectrique et
les constituants de la troposphère est
fondamentale pour les études de
télécommunications et de télédétection. La
mise à disposition des mesures
radioélectriques et météorologiques obtenues
sur la plate-forme d'expérimentation de
Lannemezan/Pic du Midi constitue donc un
point d'ancrage majeur pour le projet.

Cette plate-forme d'expérimentation de
propagation radioélectrique a été installée par
l'ONERA et le Laboratoire d'Aérologie, dans
un premier temps pour les besoins de la DGA.
Elle était constituée dans sa forme initiale des
liaisons radioélectriques obliques 35 et
44 GHz et de stations météorologiques
(equipements ONERA, Laboratoire
d'Aérologie, DGA) utilisés dans le cadre de la
campagne d'expérimentation CELESTE.

Grâce à des financements ONERA, Région
Midi-Pyrénées (CCRDT 1998-1999-2000,
projet PROSATEL) et OMP, le parc
instrumental s'est enrichi avec la mise en place
d'équipements de réception des signaux EHF
du satellite STENTOR, et de moyens

performants de caractérisation des basses
couches de l'atmosphère (radiomètre profileur
d'atmosphère, radar POLARIX).

Le lancement en 2002 du satellite français STENTOR avec ses balises EHF représente en effet une opportunité exceptionnelle pour l'acquisition de données de propagation en vraie grandeur, et en ce sens constitue également un temps fort pour la communauté française travaillant dans le domaine de la propagation. L'ONERA a été partie prenante dès l'origine de ce projet d'expérimentation sur STENTOR en fournissant une assistance technique à la DGA pour la définition de la charge utile EHF et du segment sol EHF, ainsi que sur la définition de la campagne EXPRESS elle-même [1,2]. La mise en place de la plate-forme de Lannemezan représente ainsi une autre partie de la contribution de l'ONERA à la campagne d'expérimentation STENTOR.

L'ouverture de la plate-forme expérimentale de propagation de Lannemezan/Pic du Midi à tous les acteurs de la recherche dans le domaine et aux industriels constitue également une opportunité forte d'enrichir les retombées de ces investissements.

LE DISPOSITIF INSTRUMENTAL

Le dispositif instrumental est présenté sur la
figure 1, et rassemble de nouveaux
équipements spécifiquement dédiés à la plate-
forme avec ceux utilisés pour CELESTE.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Dispositif expérimental sur le site Lannemezan – Pic du Midi</figcaption></figure>
## Instrumentation de mesures de balises de propagation

La station de réception satellite est dédiée à la réalisation de mesures de propagation à partir des balises à 20.7 et 41.4 GHz embarquées sur le satellite français STENTOR. Cette station a été réalisée au sein de l'ONERA-DEMR à Toulouse. Elle comporte deux antennes de diamètre 1.2 m. Les récepteurs sont basés sur une architecture à fréquence intermédiaire agile et à très faible bande d'analyse (qq Hz à qq 100 Hz). La cadence d'acquisition est réglable de 5 à 80 Hz.

Utilisé simultanément aux liaisons obliques, l'équipement de réception STENTOR permettra de mettre en place une plate-forme d'expérimentation selon un schéma tout à fait nouveau. En effet, deux types de liaisons expérimentales seront opérationnels : deux liaisons à 20 et 40 GHz à partir du satellite STENTOR présentant une élévation de 35°, et deux liaisons basse élévation (5°) fonctionnant à 35 GHz et 44 GHz. Ainsi ce site expérimental mettra en œuvre des liaisons d'une part sous une élévation classique de 35° et d'autre part sous une très basse élévation de 5°. L'acquisition simultanée de mesures sous ces deux élévations permettra ainsi d'améliorer la représentativité de cette campagne par rapport aux futurs systèmes de télé-communications, notamment les constellations de satellites pour lesquelles l'angle d'élévation varie continûment, ou les liaisons avec plates-formes de haute altitude.

## Radiomètre multifréquence profileur d'atmosphère

Le radiomètre multifréquence quant à lui a pour objectif d'une part de fournir un niveau 0 dB de référence pour les mesures d'atténuation radioélectrique et d'autre part de permettre le développement des connaissances sur les basses couches de l'atmosphère utiles aux prédictions de la propagation des ondes radioélectriques et aux études sur l'environnement terrestre.

Compte tenu de ces différents besoins, le choix s'est porté sur un radiomètre profileur de la société américaine Radiometrics (figure 2), qui permet de caractériser de manière fine la

couche troposphérique. Ce type d'instrument n'a pour l'instant jamais été utilisé lors de campagnes de propagation. C'est également pour l'instant le seul instrument de ce type en France.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Radiomètre Radiometrics</figcaption></figure>

Le choix d'un radiomètre profileur permet de disposer d'un instrument beaucoup plus performant et fournissant des données beaucoup plus riches (profils verticaux de contenu en vapeur d'eau avec le récepteur 22-29 GHz, profils de température et de contenu en eau liquide avec le récepteur 55-59 GHz, détection et caractérisation des nuages) que les radiomètres utilisés jusqu'alors (instruments bi ou tri-fréquences 20/30 GHz ou 20/30/50 GHz), qui ne donnent que le contenu intégré en vapeur d'eau ou en eau liquide (l'information sur les variations en altitude n'est alors pas accessible). La figure 3 présente un exemple de mesures de profil d'humidité et l'atténuation correspondante sur un trajet Terre-satellite en EHF.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Mesures radiométriques et calculs d'atténuation en EHF</figcaption></figure>
Cette caractérisation fine autorise l'amélioration de la description instantanée et statistique de la troposphère en termes de profils de température, d'humidité et de contenu en eau liquide et la mise au point de modèles de propagation déterministes.

Par ailleurs, cet instrument pourrait permettre d'obtenir des points de recalage ou de validation avec les modèles locaux de prévision météorologique court terme puisqu'il donne dans les premiers kilomètres le même type d'informations qu'un radiosondage. Des radiosondages pourront donc être mis en œuvre pour se comparer aux résultats obtenus avec le radiomètre profileur (voir figure 4) [6].

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : Comparaison radiosondage – mesure radiométrique sur le profil d'humidité</figcaption></figure>

## Radar POLARIX

La mise en place de moyens radar performants permet de caractériser de manière fine (dans l'espace et dans le temps) les précipitations et les nuages, qui sont les principales causes de perturbations des ondes dans les bandes Ka et EHF. Le radar est un instrument de caractérisation des systèmes précipitants, très utile dans les campagnes de propagation comme cela a été démontré sur les expérimentations OLYMPUS ou ITALSAT.

Pour l'expérimentation CELESTE, les radars RODIN de Toulouse (bande C) et MELODI à Lannemezan (bande S) ont été utilisés (voir figures 5 et 6).

Le radar bi-polarisation POLARIX en bande X installé sur la plate-forme expérimentale permet de caractériser la structure horizontale

des cellules de pluie et notamment la variabilité des intensités de précipitations au sein de ces cellules, ainsi que la couche de fusion des précipitations de type stratiforme.

Les travaux de développement de ce radar ont été terminés en 1998. Cette opération a été conduite par le Laboratoire d'Aérologie en partenariat avec la Société Thomson-CSF ainsi que Météo France et l'Agence de l'Eau Seine-Normandie. Le système SYNTACS d'exploitation des signaux, développé par le Laboratoire d'Aérologie, permet de traiter 6 voies simultanées (vidéo logarithmique et deux voies linéaires I et Q pour la phase sous 12 bits pour chaque vecteur). POLARIX a été utilisé pour une campagne de validation en 1998 en région parisienne. Il a été installé sur le site de Lannemezan en 1999 et des mesures préliminaires ont été effectuées depuis lors.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5 : Mesures de réflectivité radar dans le plan des liaisons Pic du Midi – Lannemezan (RHI) en présence de cellules de pluie</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 6 : Mesures de réflectivité radar en panoramique (PPI)</figcaption></figure>
## Perspectives d'utilisation des données de la plate-forme

La plate-forme Lannemezan - Pic du Midi se veut un outil de travail au service de différents laboratoires intervenant dans le domaine de la propagation ou de la télédétection. De nombreuses perspectives d'utilisation de cette plate-forme sont envisagées, liées au contexte du développement des systèmes de télécommunications à haut débits, et aux programmes de recherche en météorologie et climatologie. La partie expérimentale du projet s'insère donc dans un plan d'études s'étalant jusqu'à un horizon 2005. La nature des travaux sera pour partie liée à des modélisations physiques, pour partie à des modélisations statistiques et pour partie directement liée à des études de performances des systèmes.

Différents contextes d'utilisation s'offrent à court terme :

* Programmes de recherche propres à l'ONERA et au Laboratoire d'Aérologie.

* Groupe de travail EXPRESS des expérimentateurs STENTOR

* CNRT Aéronautique et Spatial pour son volet Télécommunications en liaison avec le laboratoire commun TESA

* Action européenne COST 280 sur la modélisation de canal et les techniques de lutte contre les affaiblissements pour les futurs systèmes radio en ondes millimétriques, lancée en 2001 à l'initiative de l'ONERA et de l'ESA

* Futurs projets RNRT ou PCRD (l'ONERA a apporté son expertise propagation dans les projets SAGAM et GEOCAST pilotés par ALCATEL SPACE)

* Projet PROSATEL (financé par la Région Midi-Pyrénées) avec CRIL Technology

* Travaux de la Commission 3 de l'UIT-R (groupes de travail propagation auxquels l'ONERA participe activement).

* Actions au profit de l'ESA en propagation et télédétection

Des retombées liées à la réalisation de ce type d'études et à la mise en œuvre de tels moyens de mesure peuvent légitimement être attendues dans les domaines de la propagation et de la météorologie. D'un point de vue du plan de travail, on peut d'ores et déjà lister un certain nombre d'actions identifiées.

Cette station permettra d'une part la mise au point de modèles statistiques de prédiction afin d'évaluer les disponibilités de service envisageables notamment pour les futurs systèmes de télécommunications multimédia à base de constellations de satellites. D'autre part, l'obtention de données temporelles permettra l'élaboration de techniques d'adaptation aux effets de propagation pouvant être mises en œuvre ultérieurement de manière opérationnelle au niveau du segment sol de ces futurs systèmes de télécommunications Terre-Espace.

## Systèmes de télécommunications par satellite

- Mise au point et validation de modèles de canal de propagation (propriétés dynamiques, spectrales et spatiales) dans les bandes Ka, V et EHF.

- Evaluation des disponibilités envisageables pour les futurs systèmes de télécommunications civils et militaires

- Mise au point et optimisation des techniques d'adaptation aux effets de propagation dans les bandes Ka, V et EHF.

- Prise en compte de l'influence de la propagation à travers l'atmosphère pour le dimensionnement du segment sol de ces systèmes de télécommunications (VSAT, USAT, ...).

## Caractérisation de l'environnement terrestre :

- Réalisation de mesures complémentaires aux radiosondages. Analyses statistiques de profils de température, de vapeur d'eau et d'eau liquide.

- Validation d'algorithmes de caractérisation des constituants des systèmes précipitants.
- Caractérisation des contenus en eau / glace dans les nuages mixtes.

- Apport de données d'entrées fines, concernant les conditions de propagation (gaz, nuages et précipitations) affectant les systèmes d'observation.

- Amélioration des modèles de prévision de l'influence de l'oxygène, de la vapeur d'eau et de l'eau liquide présentes dans la troposphère sur les performances des radars (radars profileurs de nuages, radars à pluie, radars à synthèse d'ouverture pour haute résolution ou pour interférométrie, radars de surface) et des radiomètres embarqués.

- Validation des méthodes de prévision météorologique instantanée (nowcasting) des conditions de propagation pour les nouveaux systèmes de télécommunications d'observation et de détection.

## Conclusion

Ce papier avait pour but de détailler le développement d'une plate-forme d'expérimentation sur le site de Lannemezan - Pic du Midi, mettant en œuvre une collection d'instruments de mesures de propagation et de caractérisation des constituants de la troposphère.

La plate-forme va être utilisée pour différents types d'expérimentations définies par l'ONERA et le Laboratoire d'Aérologie mais peut également être mise à la disposition d'autres expérimentations spécifiques au profit de la communauté scientifique et du monde industriel.

La mise en place de cette plate-forme représente une partie de la contribution de l'ONERA à la campagne d'expérimentation STENTOR, dont le lancement est espéré au milieu de l'année 2002.

## Références bibliographiques

[1] L. Castanet, J. Lemorton, P. Roy, A. Dufourg, T. Marsault, F. Destruhaut, S. Grély, D. LeBoulch : « EXPRESS : Experimentation of Propagation in the EHF band from the satellite STENTOR » 10th ICAP, Avril 1997

[2] J. Lemorton, L. Castanet, V. Huot, T. Marsault : « A new opportunity for EHF propagation experiments :the express campaign with the satellite STENTOR», International Journal of Satellite Communications, June 2001

[3] L. Castanet : " Fade Mitigation Techniques for new SatCom systems operating at Ka and V bands" ; Thèse SupAéro, Décembre 2001

[4] B. Audoire : " Modélisation fine du canal de propagation Terre – Satellite en bande Ka et V", Thèse Université Paul Sabatier, Décembre 2001

[5] L. Feral, L. Castanet, J. Lemorton, F. Mesnard, H. Sauvageot : " Etude de la forme et de l'orientation des cellules de pluie dans le sud ouest de la France. Application à l'étude de futurs systèmes SatCom " Atelier propagation Terre-Espace, CNES Dec. 2000

[6] E. Gimonet, L. Castanet, J. Lemorton : " Réalisation de mesures de profil atmosphérique d'humidité par radiométrie micro-onde " Atelier Expérimentation et Instrumentation, Météo France Janvier. 2002