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WO2023148455A1 - Dispositif, procédé et programme de relevé d'activité radiofréquence de satellites artificiels - Google Patents

Dispositif, procédé et programme de relevé d'activité radiofréquence de satellites artificiels Download PDF

Info

Publication number
WO2023148455A1
WO2023148455A1 PCT/FR2023/050136 FR2023050136W WO2023148455A1 WO 2023148455 A1 WO2023148455 A1 WO 2023148455A1 FR 2023050136 W FR2023050136 W FR 2023050136W WO 2023148455 A1 WO2023148455 A1 WO 2023148455A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
antenna
pointing
power spectral
prescribed
radiofrequency
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/050136
Other languages
English (en)
Inventor
Steredenn DAUMONT
Yann Picard
Baptiste GUILLOT
Original Assignee
Safran Data Systems
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Data Systems filed Critical Safran Data Systems
Priority to EP23706822.6A priority Critical patent/EP4473332A1/fr
Priority to CN202380024754.8A priority patent/CN118843802A/zh
Priority to US18/835,308 priority patent/US20250141572A1/en
Priority to JP2024545920A priority patent/JP2025507284A/ja
Publication of WO2023148455A1 publication Critical patent/WO2023148455A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
    • G01S3/04—Details
    • G01S3/043—Receivers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
    • H04B17/318—Received signal strength
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
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    • G01R29/0871—Complete apparatus or systems; circuits, e.g. receivers or amplifiers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
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    • G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/38—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of real or effective orientation of directivity characteristic of an antenna or an antenna system to give a desired condition of signal derived from that antenna or antenna system, e.g. to give a maximum or minimum signal
    • G01S3/40—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of real or effective orientation of directivity characteristic of an antenna or an antenna system to give a desired condition of signal derived from that antenna or antenna system, e.g. to give a maximum or minimum signal adjusting orientation of a single directivity characteristic to produce maximum or minimum signal, e.g. rotatable loop antenna or equivalent goniometer system
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/20—Monitoring; Testing of receivers
    • H04B17/27—Monitoring; Testing of receivers for locating or positioning the transmitter
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/20—Monitoring; Testing of receivers
    • H04B17/29—Performance testing

Definitions

  • TITLE Device, method and program for recording the radiofrequency activity of artificial satellites
  • the invention relates to a device and a method for surveying the radio frequency activity of artificial satellites in Earth orbit, and a computer program for their implementation.
  • the field of the invention relates to satellites in operation, in all kinds of orbits.
  • the known orbital tracking service uses a technique of correlating the signal emitted by the satellites and acquired by stations distant from each other, typically at a distance of several hundred kilometers. This technique requires transferring large amounts of data to a computing center. A systematic scanning of an orbit, such as for example the Clarke belt (geostationary orbit), by this technique would be limited by the bandwidth of long-distance communications to the computing center and would therefore require an unacceptable measurement time and a cost of communications high.
  • satellites that emit sporadically may not be detected by this method, because the rate of revisiting an orbital position would be too slow (more than a day).
  • the cause may be: change of plan/frequency by the satellite, stoppage of satellite communications or other causes.
  • An object of the invention is to obtain a device, a method and a computer program for the survey of radiofrequency activity coming from artificial satellites in earth orbit, which make it possible to automatically discover and identify radiofrequency emissions from satellites without prior third-party information, i.e. without considering the declarations provided by the operators and with a short revisit time.
  • a first object of the invention is a method for recording the radiofrequency activity of at least one artificial satellite, which is in Earth orbit and which is transmitting a radiofrequency signal, characterized in that the method comprises the following steps: pointing, by an antenna control device, of at least one antenna to move an axis of sight of the antenna towards at least one sequence of prescribed pointing positions, successive and distinct from one the other, the antenna being in the form of a reflector, an outer edge of which delimits a maximum opening diameter, which is less than or equal to 6 meters, and for each prescribed pointing position: collection of the radiofrequency signal by the antenna and conversion of the radiofrequency signal by a radiofrequency chain into a digital signal, calculation by a computer of at least one reading of raw power spectral densities on at least one reception frequency sub-band from the digital signal, reprocessing of the reading raw power spectral densities into a statement of refined power spectral densities by applying inverse convolution processing of the radiation pattern of the antenna in the reception frequency sub-band by the
  • the invention by the combination of a small-sized antenna and the inverse convolution, makes it possible to detect a greater number of satellites, since the main lobe of the antenna having the small diameter mentioned above is more wide, allows a greater number of satellites to be covered at each antenna pointing position, and allows for a shorter revisit time (which is the time elapsed to perform all of the planned scan sequences), thus increasing the possibility to detect a non-permanent transmission from a satellite.
  • This makes it possible to increase the step of the measurements from one pointing position to the next pointing position in the sequence and therefore the acquisition speed of the refined power spectral density, while reducing the cost of the infrastructure.
  • the invention makes it possible to detect all the artificial satellites having radio frequency activity, whether or not they have been listed.
  • This system is called “spectral mapping”. Scanning using only one station at a time on which the device according to the invention is installed can therefore be envisaged.
  • the invention uses not declared by an operator, changes of frequency plan, of orbital position, of new assignments or even failures with regard to artificial satellites in Earth orbit are listed.
  • the invention makes it possible to reduce the revisit time in order to detect as many events as possible.
  • the invention makes it possible to establish precise mapping with a rapid revisit (a few hours at most), while using one or more antennas of limited size and of reduced cost.
  • the spectral mapping can therefore be updated frequently, several times a day and every day so as to be able to identify with certainty the changes in use made by the operator.
  • the invention can create the cartography in the form of a power spectral density map as a function of the pointing position and the frequency, making it possible to visualize and interpret the origin of the received radiofrequency spectrum, as well as its evolution. in time. It is thus possible to detect celestial objects and changes in use (breakdowns, postings, change of frequency plan) concerning the satellites.
  • the invention can map the use of the frequency spectrum as a function of the orbital position (longitude or anomaly when scanning an orbit) of all or part of the orbit(s) considered, on one or more sub-bands of receiving frequency.
  • the invention can be used to detect satellites in all types of orbits, which therefore includes those that are not geostationary.
  • the invention makes it possible to place the detected satellites in orbital tracking. This makes it possible to dispense with declarations of frequential use by operators and to follow these objects, whether or not they have been declared.
  • the antenna has a maximum opening diameter, which is less than or equal to 4 meters.
  • the antenna has a maximum opening diameter, which is less than or equal to 2.50 meters.
  • the antenna has a maximum opening diameter, which is less than or equal to 2.10 meters.
  • the reprocessing of the reading of raw power spectral densities comprises the inverse convolution processing of the radiation pattern of the antenna at a frequency in the receiving frequency sub-band, the calculation of the impulse response of the inverse convolution from the radiation pattern of the antenna which was previously measured at the same frequency and which was previously recorded in computer memory.
  • the inverse convolution is performed for a linear combination of several successive raw power spectral densities for the successive, prescribed pointing positions.
  • the method comprises pointing the line of sight of the antenna along a prescribed scanning trajectory passing through the prescribed pointing positions at consecutive instants.
  • the prescribed scanning trajectory pursues each prescribed pointing position for a non-zero duration.
  • the prescribed scanning trajectory connects the prescribed successive pointing positions with a regular speed.
  • the antenna control device interrupts the movement of the boresight axis when prescribed pointing positions are below a predefined minimum elevation.
  • the successive prescribed pointing positions have the same orbital period.
  • the prescribed pointing positions of at least one of the sequences of prescribed pointing positions traverse a determined orbit.
  • the determined orbit is the Clarke belt of geostationary satellites.
  • the axes of sight of the successive prescribed pointing positions are spaced apart by an angle less than a width of a main radiation lobe of the antenna, in the time interval when the antenna moves from the prescribed pointing position to the next prescribed pointing position in the sequence.
  • the computer records the raw power spectral density at each prescribed pointing position from the digital signal.
  • the reading of raw power spectral densities is carried out by acquiring the radiofrequency signal, which is collected by the antenna and which is digitized by the radiofrequency chain according to separate windows of a predefined minimum duration.
  • the computer for each duration window of the digital signal calculates the Fourier transform then raises its modulus to the square and divides all by the duration of the window.
  • the average scanning speed of the antenna relative to the tracking speed of the pointing position in the sequence is less than 0/D, where 0 is the width of the main radiation lobe of the antenna.
  • the method comprises the calculation, by the computer, and a recording, by the computer, of a cartography constituted by the readings of power spectral densities refined as a function of the frequency and the prescribed pointing position.
  • an image is extracted from the cartography by the computer which has side by side the levels of the refined power spectral densities, successively recorded at the prescribed pointing positions, in the at least one sub- reception frequency band, the pointing orbital position and the frequency constituting, as desired, the abscissa and ordinate axes of the image.
  • the level of each refined power spectral density is represented by a pixel value, in particular the color or a brightness level or a gray level.
  • the computer searches for peaks on part or all of the longitudinal level curves of the raw or refined power spectral densities to determine the most probable position of the at least one transmitter satellite of the surveyed spectrum.
  • the probable position(s) of satellites and their associated power spectral density reading are compared by the computer with the declarations of the operators.
  • a second object of the invention is a device for recording the radiofrequency activity of at least one artificial satellite, which is a transmitter of a radiofrequency signal, characterized in that the device comprises at least one reception antenna pointed along an axis sight and which is capable of collecting the radiofrequency signal, the antenna being in the form of a reflector, an outer edge of which delimits a maximum opening diameter, which is less than or equal to 6 meters, an antenna control unit to point the line of sight of the antenna towards at least one sequence of prescribed pointing positions, successive and distinct from each other, a radio frequency reception and digital conversion chain, which acquires the radio frequency signal into a digital signal on at least one reception frequency sub-band, a computer capable of calculating, from the digital signal, at least one reading of power spectral densities on the reception frequency sub-band, and of reprocessing the reading of spectral densities
  • the piloting device is capable of pointing the line of sight of the antenna along a prescribed scanning trajectory passing through the prescribed pointing positions at consecutive instants.
  • the antenna is chosen of just sufficient size to be able to detect the signal from a satellite transmitting at the equivalent isotropically radiated power threshold that it is desired to record.
  • the device for recording radiofrequency activity comprises a recording device capable of recording a map consisting of readings of the power spectral density as a function of the frequency and of the position of prescribed score.
  • the recording device is capable of recording a history of the cartography, that is to say several readings of power spectral density taken on different dates concerning the same pointing position prescribed.
  • the computer and the recording device are capable of forming at least one differential image between cartography histories corresponding to different acquisition dates for the same sequence of prescribed pointing positions.
  • the spectral density reading is carried out by acquiring the radiofrequency signal, which is collected by the antenna and which is digitized by the radiofrequency chain according to separate windows of a predefined minimum duration. D.
  • the computer for each duration window of the digital signal is configured to calculate the Fourier transform and then raise its modulus to the square and divide it by the duration of the window.
  • a third object of the invention is a computer program for the implementation of the method for recording the radio frequency activity of at least one artificial satellite as described above, comprising code instructions for the execution pointing, collection, conversion, calculation and reprocessing steps, when the computer program is executed on one or more computers.
  • FIG. 1 represents a schematic view in perspective of the device for recording radio frequency activity of artificial satellites in Earth orbit according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 represents a modular block diagram of the device for recording radio frequency activity of artificial satellites in Earth orbit according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 represents a flowchart of the method for recording the radio frequency activity of artificial satellites in Earth orbit according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 represents a first example of a cartographic image of power spectral densities obtained during a first scanning of orbits by the device, the method and the computer program for recording the radiofrequency activity of artificial satellites according to a mode of realization of the invention.
  • FIG. 5 represents a second example of a cartographic image of power spectral densities obtained by the device, the method and the computer program for recording the radiofrequency activity of artificial satellites according to an embodiment of the invention during a second orbit scan subsequent to the first orbit scan.
  • FIG. 6 represents a differential cartographic image of power spectral densities, obtained from the first example of cartographic image of FIG. 4 and the second example of cartographic image of FIG. 5, by the device, the method and the program of computer for recording the radio frequency activity of artificial satellites according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 7 represents a frequency section of a set of Diracs representing satellites, ideally seen as points, to be scanned and acquired by the device, the method and the computer program for recording the radiofrequency activity of artificial satellites following a embodiment of the invention.
  • FIG. 8 represents an example of the radiation pattern of the antenna of the device, method and computer program for recording the radio frequency activity of artificial satellites according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 9 represents an example of power spectral density received by the antenna of the device, method and computer program for recording the radiofrequency activity of artificial satellites according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 10 represents an example of a cartographic image of power spectral density obtained by the device, the method and the computer program for the survey of radiofrequency activity of artificial satellites according to an embodiment of the invention after a convolution reverse.
  • FIG. 11 represents an example of a cartographic image of power spectral densities obtained by the device, the method and the computer program for recording the radiofrequency activity of artificial satellites according to an embodiment of the invention after a convolution inverse according to figure 10 and after searching for the peaks.
  • FIG. 12 schematically represents a geocentric frame, in which the parameters of a satellite can be defined.
  • the survey device 1 can be used to detect radio frequency activity of one or more satellites S ⁇ T1, S ⁇ T2, S ⁇ T3, SAT4 (or in general space objects or celestial objects) located on one or more terrestrial orbital positions P s around the earth T.
  • the survey device 1 is installed at a determined geographical position Y of the surface ST of the globe T.
  • the satellite or satellites S ⁇ T1, S ⁇ T2, S ⁇ T3, SAT4 or objects space can emit electromagnetic signals to the surface ST and to the device 1 survey.
  • the orbit ORB of the satellite(s) SAT1, SAT2, SAT3, SAT4 can be arbitrary, and for example of low Earth orbit LEO (which means in English: Low Earth Orbit) whose period of revolution is less at 128 minutes, of geostationary orbit appearing fixed from the earth T and therefore of period of revolution equal to one sidereal day, or of medium earth orbit MEO (which means in English: Medium Earth Orbit) that is to say between the two.
  • LEO low Earth orbit
  • MEO medium earth orbit
  • One or more stations located on the surface ST of the globe T may be provided, the station or each station comprising the survey device 1 according to the invention.
  • the work of each station can be planned, for example in a centralized manner in the case of several stations, so that the work of the stations is complementary.
  • antennas 2 and devices 1 according to the invention can be distributed over different points of the globe T in order to be able to cover all the orbital positions of interest and all the sub-bands W x of frequencies targeted.
  • the survey device 1 comprises the elements which will be described in more detail below:
  • the steps of the survey method according to the invention follow the description given below. They describe the different operations that contribute to the invention. In fact, they take place in a non-sequential way, that is to say that several steps take place concurrently. One or more of these steps can be omitted or implemented as alternatives, with reference to Figure 3.
  • the user of the survey system must plan the scans and signal acquisitions to be performed. For this, he configures the device 1 for surveying the cartography. The user first configures the specific characteristics of the station. These are useful for performing the subsequent steps:
  • step E2 of signal collection we configure:
  • step E3 of power spectral density reading we configure:
  • step E4 of construction of the mapping we configure:
  • step E5 of visualization one configures: Visualization parameters, modifiable by the user.
  • the radiation pattern of antenna 2 when performing an inverse convolution operation.
  • the radiation pattern may have been measured beforehand.
  • the survey device 1 comprises a unit 4 for controlling the antenna 2, called ⁇ CU (in English: Antenna Control Unit), for pointing satellites whose orbital position P s is pointed at an elevation greater than the minimum elevation Elo set in the EO configuration step.
  • the ACU 4 which contains a computer, controls the motors of the positioner of the antenna 2 so that its axis 21 of sight points towards a pointing position, such as for example those described below.
  • the ACU 4 of a station calculates the evolution as a function of time t of the location S(P s ,t) of the pointing position, then the angle of the axis 21 of sight p[OS(P s ,t)] which will be noted for the sake of simplification p(P s ,t), where O is the geographical location of the station.
  • O is the geographical location of the station.
  • the angle of the line of sight 21 is determined by the azimuth and the elevation of the straight line OS(t), relative to the horizontal plane and to geographic north.
  • the ACU 4 must first convert the geographical position O of the station into a position in the geocentric frame for which the orbital parameters of the satellite are given. It is therefore necessary to take into account for this purpose the rotation of the earth on itself and around the sun.
  • each ORB orbit is an ellipse inscribed in an orbital plane whose center of the earth is one of the homes.
  • a satellite's orbital position is entirely determined by six parameters.
  • the orbital plane is defined by two parameters (inclination i with respect to a reference plane PREF and ascending node).
  • the orientation of the ellipse in the orbital plane is defined by the angle of its perigee (point of the orbit ORB closest to the earth), when the eccentricity indicates the flattening of the ellipse and therefore the ratio between its major axis and its minor axis.
  • the fifth parameter can therefore be chosen either as the period of revolution or the semi-major axis.
  • the last parameter to describe an orbital position is the anomaly which makes it possible to know at any time the angular position of the satellite on the ellipse.
  • the anomaly can be defined in several ways: true v, eccentric or average anomaly, this choice does not matter for the invention.
  • the orbital position of a satellite drifts slowly, under the effects of variations in the earth's gravity, the tides of the moon and the sun, general relativity, the solar wind. These effects are noticeable over periods of several days. Most often, a satellite is assigned to an orbital position, it maneuvers to stay on it. Some satellites are intended to change orbital position (space surveillance, in-orbit service). The invention makes it possible to identify all these movements.
  • the planning programmed in step EO provides for moving the axis 21 of sight of the antenna 2 towards a sequence of prescribed pointing positions P i , which are for example P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10 in FIG. 1 for i varying for example from 1 to 10, successive and distinct from each other.
  • the prescribed pointing positions can be, for example, prescribed orbital positions P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10.
  • the index i successively takes a value ranging from 1 to N, where N is an integer number of pointing positions, any.
  • the positions P i are effectively reached at times t, which constitute an increasing series of dates.
  • These prescribed pointing positions P are spatial positions of interest where satellites S ⁇ T1, S ⁇ T2, S ⁇ T3, S ⁇ T4 can be found and whose emitted radio signal is collected to measure its power spectral density.
  • the antenna control unit which controls the antenna 2 according to the invention performs the same sighting axis 21 calculation operations as those of an ⁇ CU tracking a satellite at the orbital position P s , but it reiterates this operation by taking each time the next pointing position in the sequence while an ⁇ CU in tracking mode maintains the same orbital position.
  • the line of sight 21 must necessarily evolve continuously, so the ⁇ CU must interpolate the pointing positions between times t, and tw to create a continuous sweep curve B(t).
  • Two scanning modes are possible. The first, called discrete scanning, consists of pursuing a fixed pointing position and then reaching the next one as quickly as possible, given the maximum speed at which the positioner can move. In this case, the pointing position stops on P, at t, and remains there for a certain time before rejoining P i+ i at the fastest.
  • the second, called regular scanning consists in gradually varying the characteristics of the pointing position referred to the next.
  • each pointing parameter evolves progressively from the value of the pointing position parameter P, to that of P i+i between t i and tw.
  • the ⁇ CU 4 must check at all times that the elevation of the sighting axis 21 remains greater than the minimum value Elo defined in the configuration step E0. For each pointing position, the ACU must determine if it respects the minimum elevation. During scanning, as soon as a pointing position causes a sighting axis 21 whose elevation is less than the minimum elevation Elo, it ignores the pointing position and goes directly to the next one. For each sequence, the sweep curve B(t) covers a portion of arc, whose developed angle is denoted a. This will therefore be smaller than the arc whose sweep was planned in step E0, when part of this arc is at an elevation lower than the minimum elevation. When the ACU has completed the entire scan of each sequence, it can resume scanning from the beginning. The time elapsed to complete the set of planned scan sequences is called the revisit time R.
  • the prescribed pointing positions P, of each sequence are arranged in any order, but to optimize the revisit time R, it is advantageous to define an order such that the curve B(t) presents l the developed angle has the shortest possible, that is to say that B(t) is the shortest path connecting the pointing positions P,. If the sequence has pointing positions of different periods of revolution, the optimal solution will be very different at each sequence because the orbital positions will have evolved independently. Also, in a preferred embodiment, the pointing positions of a sequence are chosen to all have the same orbital period, which guarantees that their relative distances will change little from one scan to another, and then makes it possible to define sequences near-optimal once and for all.
  • quasi-circular orbits are scanned, that is to say with almost zero eccentricity, which concerns the vast majority of r-satellites.
  • the best known circular orbit is the geostationary orbit.
  • the orbital positions are on the equatorial plane and fixed for an observer stationary on the surface of the globe.
  • the largest possible portion of arc a is the measurement of the geostationary arc from its east end to its west end at minimum elevation Elo.
  • the revisit time R as defined above is the time elapsed between two consecutive measurements of the same pointing or orbital position.
  • the revisit time separates measurements which can be made at different anomalies because this revisit time is not necessarily an integer number of periods of revolution of the considered orbit.
  • Figures 4 and following were produced by considering a scan of the geostationary arc.
  • the scanned pointing position element is the longitude that corresponds to the anomaly on the geostationary arc uniquely.
  • the longitude should be replaced by the anomaly without this modifying the range of the figures.
  • a constellation of satellites is made up of a small number of revolution periods (1 for GPS, Galileo, O3B, OneWeb, Iridium Next; 3 for Kuiper project and Starlink phase 2; 4 for Starlink).
  • P r corresponding to an altitude
  • the constellation of satellites places a large number of satellites in circular orbits and on a series of orbital planes, all at the same inclination and regularly spaced, i.e. say that their ascending nodes are multiples of 360/p° with p distinct orbital planes.
  • the planned sweep can consist of varying both the anomaly and the ascending node.
  • the survey device 1 comprises one (or more) receiving antenna 2 pointed along an axis 21 of sight.
  • Antenna 2 directed above Elo, collects a radiofrequency signal X(t) which is a function of time.
  • the device 1 comprises a chain 20 for radiofrequency reception and digital conversion of the radiofrequency signal X(t) which acquires it in the form of digital samples X(n).
  • reception chain 20 downstream of the antenna 2 in a station is described below with reference to FIG. 2.
  • the station incorporates a radiofrequency chain 20 between the antenna 2 and the computer 3.
  • the radiofrequency signal X(t) at the output of the antenna 2 is digitized at the end of the radiofrequency reception chain 20.
  • LNA low noise amplifier
  • ADC Analogue to Digital Converter
  • a sequence X(n) of samples at index n, acquired at instant n/f e is then obtained.
  • the preamplified signal can also be divided into several channels of index x on which sub-bands W x are processed, each having its own acquisition chain.
  • a frequency converter then a digitizer is then placed on each channel, which makes it possible to increase the instantaneous band processed. Otherwise, it is possible to have only one digitizer and alternately switch each sub-band W x on its input, but this less onerous architecture in return increases the time required to carry out an acquisition.
  • a recording of the digitized signal X(n) is then performed.
  • the recording of the raw signal can be kept if necessary, for the desired time, depending on the memory capacity 51.
  • the antenna 2 can generally be in the form of a parabolic reflector 22, an outer edge 23 of which delimits a diameter 24 of the opening.
  • the antenna could be in the form of a reflector of a shape other than parabolic.
  • Antenna 2 is not a perfect antenna with an infinitely thin beam. Also, it does not collect only the signal coming from its line of sight 21 but a multitude of contributions coming from various directions which are weighted according to its radiation diagram at the frequency considered.
  • the radiation pattern at frequency f an example of which is given at FIG. 8 shows a main lobe, of width 0, which concentrates the greatest power contribution around the axis of the antenna aligned with the line of sight 21 .
  • the secondary lobes collect signal more weakly from directions farther from the line of sight 21.
  • EIR Equivalent isotropically radiated power
  • PI the loss of free space which is (X/4nd) 2 with X the wavelength and d the distance from the satellite.
  • the angle subtraction must be understood in the sense of the composition of rotation, - representing the reverse rotation of that which made it possible to point the line of sight p.
  • the diagram D(y,f) is a function of the frequency and the depointing angle y (which is the angular deviation with respect to the axis 21 of sight, as shown by way of example in the figure 8) which provides the power gain of the antenna.
  • This is maximum for zero misalignment.
  • the antenna which can for example be parabolic in shape, is rotationally symmetrical.
  • the main lobe is therefore also and its width 0 does not depend on the orientation of the misalignment.
  • the width 0 of the main lobe is defined at 3dB, or otherwise at y dB with y different from 3.
  • the width of the lobe is twice the allowable offset for the gain to lose y dB. For y being 3dB, this corresponds to a loss of half the maximum gain in the axis 21 of sight.
  • the prescribed successive pointing positions are isolated positions of interest.
  • the objective of the scan is to collect in passing the signal coming from all the intermediate positions between two successive pointing positions prescribed in the sequence so as to detect active satellites which could be there.
  • these positions must be collected in the main lobe of the previous pointing position or the next pointing position, as desired. More precisely, it is required that each intermediate position be situated in the cone of lobe width 0 around the preceding or following pointing position, so as to guarantee a certain quality of collection of the signal which may come from it.
  • two successive pointing positions at which the spectral density is measured must correspond to tracking trajectories separated by a value of line of sight 21 less than the width 0 of the main lobe, this in the time interval when we switch from one to the other. This condition results in the inequality:
  • the computer 3 and the number of central processing units (in English: CPU) thereof are adapted to the need for computing power.
  • the computer 3 can be implemented by one (or more) processor, and/or one (or more) microprocessor, and/or one (or more) central processing unit, and/or one (or more) computer, and /Or other.
  • the device comprising the down-converter, the sampler of the radio frequency chain 20 and the computer 3 makes it possible, for each sub-band W x , to do the work of a spectrum analyzer.
  • the advantages of the architecture of FIG. 2 with respect to a spectrum analyzer are a capacity for exhaustive recording of the acquisitions and of the power spectral density, and a faster execution. Indeed, it is possible to avoid any dead time between the windows used to calculate the power spectral density. The same processing done with a spectrum analyzer would therefore result in a longer revisit time R.
  • Radiofrequency activity is revealed by the presence of spectral components of the collected signal that are above the background noise level.
  • the window D begins at time t, and stops before the ⁇ CU pursues the next pointing position, therefore before tw.
  • the window D i will preferably be centered on the instant t i .
  • the spectral density calculated at step i therefore indeed corresponds to a collection of the radiofrequency signal X(t) centered at the pointing position P,.
  • Each raw spectral density measurement that is to say before any reprocessing, is therefore both a function of the frequency f in the sub-band W x and of the succession of pointing positions P i .
  • the antenna 2 collects the signals coming from the cone of width 0 around the line of sight. This therefore means that 0 constitutes the spatial resolution of the spectral density measurements.
  • the average pointing speed is defined as the variation in the viewing angle divided by the time interval. This breaks down into a relative scanning speed and a tracking speed according to the following formula:
  • the maximum slew rate is determined by the exposure time and the sidelobe width.
  • This scanning speed is by definition zero if all that is done is to pursue a pointing position.
  • the decomposition of pointing speed into tracking and scanning speed applies to apparent speeds which are a average, regardless of scan mode. This is valid whether it is performed in a discrete mode or in a regular mode.
  • the tracking speed is zero because the orbital positions are fixed from the geographical position O of the station, therefore the pointing speed is equal to the sweep speed and must therefore remain lower at 0/D.
  • the tracking speed is imposed by the celestial dynamics of the chosen orbital positions. It strongly depends on the period of revolution of the orbital positions within a scan. For its part, the sweep speed is limited by 0/D. When the expected quality of the power spectral density measurement has been chosen, therefore the exposure time D, the scanning speed is therefore proportional to the lobe width 0. Maximizing the lobe width therefore makes it possible to maximize the speed of scanning, therefore the pointing speed and consequently minimizing the revisit time R, this regardless of the sequences of pointing positions planned in step EO.
  • the invention proposes, in a preferred embodiment, that the diameter 24 of the maximum opening of the antenna 2 be less than or equal to 6 meters.
  • the maximum opening diameter can be greater than or equal to 1 meter and less than or equal to 6 meters.
  • the invention provides for an antenna size that is large enough to reliably identify a signal at the minimum EIRP density threshold (equivalent isotropically radiated power) of the objects sought.
  • Antenna 2 is chosen to be of just sufficient size to be able to detect the signal from a satellite transmitting at the equivalent isotropically radiated power threshold that is to be detected.
  • the maximum aperture diameter 24 of the antenna 2, described above, is particularly advantageous in combination with the statement of refined power spectral densities DSa, calculated during step E6 described below, because it is this combination which makes it possible to detect a greater number of satellites with a shorter revisit time and a lower cost.
  • Mapping C is organized by pointing position P, and includes the DSP power spectral density for one or more pointing points P,. For each, it was possible to record the DSP power spectral density as a function of the frequencies f with a measurement made on the date t, since this corresponds to one of the pointing positions P, successively prescribed P, for i ranging from 1 to N, for each reading sequence.
  • the frequency f is a frequency in one of the reception frequency sub-bands W x . The reading can be directly sent for viewing or for use by another system, but in the preferred embodiment, the map C is recorded.
  • the survey device 1 comprises a recording device 5 for recording a map C of the spectral densities of the measured powers DSP(P s ,f,t) having been measured by the antenna 2 at date t while it was clocked in the clocking position P, .
  • the recording device 5 may comprise one or more permanent memories 51 or others for recording the cartography C therein and/or one or more display screens 52 for displaying an image I of the cartography C and/or one or more physical outputs 53 to supply the cartography C or an image I thereof, and/or one or more modules 54 for processing the cartography C.
  • the noted power spectral density DSP(P s ,f,t) is taken directly equal to the raw power spectral density DSb(P s ,t,f) calculated in step E3.
  • the noted power spectral density DSP(P s , t, f ) is calculated by the computer 3 with a reprocessing which refines the power spectral density gross DSb(P s ,t,f).
  • each pointing position P, of the cartography C it is possible to keep the last DSP spectral density reading or keep any depth history, depending on the need and the available memory capacity 51.
  • Organization of storage in memory 51 of the mapped pointing positions P is a priori independent of the succession of prescribed orbital positions P,.
  • the maps established by each are grouped together, knowing that at step EO each is preferably planned to follow different orbits or portions of orbits, if not more generally sequences of pointing positions P, prescribed disjoint.
  • the DSP at the pointing position P in fact incorporates spectral components collected in the cone of lobe width 0 around the axis 21 of sight at the date t.
  • the signal of a zone of positions in the vicinity of the pointing position P, prescribed P, is therefore collected.
  • the satellites having an orbital period equal to that of the prescribed pointing position P remain in the vicinity of the latter, but those having a slightly different orbital period Ps drift regularly with respect to the latter.
  • the mapping C incorporates satellites of the same plane having close quasi-circular orbits but of the same orbital period and it will be noted that these satellites oscillate in time around the position of prescribed pointing Pi which is perfectly circular.
  • a satellite of the same plane having a slightly lower or higher orbital period, although in a perfectly circular orbit, will appear to have an anomaly which increases or decreases in a linear fashion.
  • a C cartography can thus be expressed graphically in easily interpretable images for objects whose relative positions vary little and slowly.
  • the images I constituted to represent the cartography C therefore consist in forming the function of the power spectral density DSP for the last reading, if not a previous reading specified by the user, corresponding to a pointing position P, of the map given according to a two-dimensional variable: the frequency and a parameter of variation of the pointing position Pi.
  • the image I of the cartography C represents on the abscissa the successively prescribed pointing positions P, of a reading, which are thus arranged side by side in the chronological order of each reading and the frequency f.
  • the axes can be reversed with the pointing positions P, on the ordinate and the frequencies on the abscissa.
  • the successive pointing positions P correspond to increasing or decreasing anomalies on this orbit.
  • the pointing position variation parameter P is synthetically reconstructed from a map C which contains DSP power spectral density readings for a multitude of orbits at the same period orbital.
  • the pointing positions P have anomalies and variable ascending nodes, we can then reconstruct an image I whose pointing position variation parameter P, is the ascending node, even though the prescribed sequences P, have been acquired in a different order, in particular by scanning each orbit.
  • the pixel value at each ordinate and at each abscissa of the image I represents the level A of the raised power spectral density DSP, measured at the frequency f during a sweep B(t).
  • the DSP spectral densities are therefore arranged vertically in the I image, with a spectrum by abscissa of the I image.
  • the level A of each DSP raised power spectral density is represented by a color, typically according to a decreasing wavelength from blue to red, or a level of luminosity or a level of gray, which varies unequivocally as a function of the level ⁇ , for example in a monotonous, increasing or decreasing manner.
  • level ⁇ is expressed in dBm in Figures 4 and 5.
  • the pixel value represents the DSP function
  • the level A is represented according to a third dimension axis perpendicular to the abscissa and ordinate axes, which provides a three-dimensional surface which is then projected into two dimensions. It is possible to make an isometric projection of the surface in a grid, according to a succession of cutting lines arranged with an offset. You can also create an image by viewing the cutaways that we move forward or backward, but we can't represent everything in a single image. Other image constitution techniques exist in the state of the art and are applicable.
  • I images therefore constitutes a preferred realization for representing the cartography, because it makes it possible to easily visualize the use of the radiofrequency spectrum by artificial celestial objects.
  • a history of the last I-frames displayed is saved.
  • a sending to the tracking system can be planned to refine the precise orbital position of each portion of the spectrum and thus separate the collocated objects, that is to say whose orbital positions are sufficiently close to be captured in the main lobe of single spectrum measurement.
  • the antenna 2, the computer 3, the control device 4 and the recording device 5 are capable of recording histories C1, C2 (or more) of the cartography then to deduce therefrom several images I1, I2 for two scans of the same sequences of prescribed pointing positions Pi(ti).
  • the image I2 extracted from the map C2 is produced in an acquisition time interval, which is later, for example by several hours or a few days as represented in FIGS. 4 and 5, with respect to the acquisition time interval of the image 11 extracted from the cartography C1.
  • the consecutive acquisitions are by definition spaced out by the revisit time R. The accumulation of acquisitions from consecutive cycles at the same position makes it possible to average the effects of noise beyond the averaging depth.
  • differential mapping the antenna 2, the computer 3, the control device 4 are able to calculate at least one differential mapping CD between two distinct historical recordings C1, C2 of the cartography, at the same prescribed pointing positions Pi.
  • a differential image ID represented in FIG. 6 and which is equal to image I2 in FIG. 5 is deduced therefrom, from which is subtracted the image 11 in FIG. 4 by subtracting the power levels A, that is to say the values of pixels between them, for identical abscissas and ordinates, that is to say at the frequencies and pointing positions P , identical.
  • This differential processing of the consecutive maps C1, C2 makes it possible to detect with certainty the events of change of use of the spectrum of duration greater than the revisit time R (positioning or decommissioning, change of frequency plan, position, etc. ).
  • Image 11 in Figure 4 was made on April 1 , 2021
  • Image I2 in Figure 5 was made on April 5, 2021.
  • the differential image ID in Figure 6 shows three appearances and ID1, ID2, ID3 disappearances of lines in the DSP power spectral density of satellites located at position P6, the frequencies f of which can be determined, and an ID4 appearance and disappearance of a spectral line from a satellite located at position P8, whose frequency f can be determined.
  • the computer 3 and the recording device 5 are configured to discriminate the spatial lines of the power spectral density DSP by peak detection algorithms, that is to say local maximum.
  • the peaks with their level ⁇ can be used to summarize the contents of the longitudinal ⁇ level curve of power spectral density, which is shown in Figure 9.
  • the computer 3 and the recording device 5 are able to reprocess the mapping by transforming the raw power spectral density DSb(Pi, ti, f) into a spectral density of refined power DSa by applying an inverse convolution processing aimed at reducing the effect induced by the radiation pattern of the antenna 2.
  • an inverse convolution processing aimed at reducing the effect induced by the radiation pattern of the antenna 2.
  • the refined power spectral density DSA or DSa(Pi,ti,f) is a linear combination of the raw power spectral densities DSb(Pi + k,ti + k,f ) taken at pointing positions P, times ti +k, where k takes values from -m to +m.
  • the antenna pointed at an axis 21 of sight p collects the signal from a satellite S transmitting from the direction of angle y according to a received power proportional to Pe.D(yp, f) , where Pe is the EIRP of the satellite and D the pattern of antenna 2 of the station.
  • the antenna pattern has the effect of spreading the contribution of the satellite over the width of the main lobe 0 and of creating responses which are artefacts at the positions of the secondary lobes.
  • DSb(p,f) S Pj.D( yj- ,f).
  • the spectrum of the signal coming from the sky at a frequency f can be represented as a series of Diracs lines, positioned at the sighting axes yj and whose amplitude is the EIRP Pj.
  • the distribution P S Pj.S(y-yj), where 8 is the Kronecker symbol designating a Dirac at position 0, illustrated in figure 7, is the perfect mapping that we seek to measure, that which would obtain an antenna with infinitely thin main lobe and infinitely low side lobes.
  • the power received by antenna 2 at frequency f is then proportional to the integral: where ⁇ j(y) is the Dirac pulse at line of sight yj.
  • the integral calculates a convolution at position p of the ideal map formed by Dirac lines with an impulse response which is the radiation pattern of antenna 2, turned over by 180°.
  • the effect of the convolution is also perfectly visible in Figures 4 and 5 where we see that each satellite is signaled by a 4° wide spot with several levels of gray attenuating on the edges and corresponding to each secondary lobe of the antenna
  • the convolution of the above equation applies with an integration variable which is the viewing angle of the satellites and not the pointing position Pi.
  • an integration variable which is the viewing angle of the satellites and not the pointing position Pi.
  • the computer 3 is capable of calculating during the step E6 the refined power spectral density DSa(B,f) by inverse convolution of the raw power spectral density DSb(B,f) of the signal picked up by the antenna 2 at a frequency f in a sub-band W x , the inverse convolution being carried out according to the viewing angle variable B.
  • the impulse response of the inverse convolution is calculated from the radiation diagram D(B,f) of the antenna 2 which was measured beforehand at the same frequency f and has been tabulated in memory 51 of computer 3, during step E0 of the method.
  • Step E7 Monitoring.
  • Mapping C can be reprocessed by tracking, which makes it possible to improve the spatial resolution. Thanks to the correlation calculation of the signals picked up by antennas distant from each other, the orbital tracking system allows a very precise resolution of the orbits, which approaches the resolution of perfect Diracs since precisions of the order of 150 meters at geostationary arc are possible.
  • the individual characteristics of these spectral lines can be transmitted to the known orbital tracking system which will be able to carry out new remote acquisitions, thus making it possible to separate all of them.
  • celestial objects by correlation-based processing. We can then follow these celestial objects individually by techniques requiring more computing power or acquisition time, in particular by the correlation of distant acquisitions used in the known orbital tracking system.
  • the spatial separation of the objects detected at a pointing position P, by the device according to the invention can thus be performed by the orbital tracking system.
  • the technique of determining orbits by the orbital tracking system can be used to separate the objects detected at a given pointing position P, thanks to an acquisition at this single pointing position P, which reduces to a minimum the duration of the orbit determination process.
  • the known orbital tracking system will correlate distant acquisitions made only at tracked orbital positions.
  • the orbital tracking system and the radiofrequency activity survey device can use identical antennas 2, or even share the same set of antennas. Indeed, the constraint of a sufficient signal-to-noise ratio to detect the signal from the satellites is the same for these two systems.
  • the cartography established by the radiofrequency activity survey system provides a spatial resolution which, once refined by one or more processes of step E6, makes it possible to locate the emission in a cone of width less than the width of the lobe antenna main. Tracking is therefore immediate, the orbital tracking system merely collecting this single pointing position P, from its remote sites, without having to perform any scanning, unlike the radiofrequency activity survey system.
  • the acquisition by the tracking system is therefore optimized in time.
  • mapping advantageously replaces the use of operator declarations.
  • the combination of the two systems militates for the choice, according to an embodiment of the invention, of small antennas 2.
  • the device is then less expensive, faster and ultimately more precise than a single antenna thanks to the reprocessing by the system of orbital tracking.
  • the embodiments, characteristics, possibilities and examples described above can be combined with each other or be selected independently of each other.
  • the invention thus allows space monitoring by observing the use of the radiofrequency spectrum and makes it possible to map the spectral situation in space.
  • the surveying method and device 1 according to the invention allow detection of any emitting active object in terrestrial orbit without using extrinsic information from the operators.
  • the invention makes it possible to monitor the activity of satellites, whether LEO, MEO or geostationary. .
  • the invention makes it possible to determine the life cycle of space objects, that is to say the evolution of their use of the frequency spectrum.
  • Orbital positions emitting signal can be tracked by a system using the same antennas
  • mapping system described by the invention can replace the use of operator declarations, making all of the two services autonomous without reducing the performance of the known orbital tracking system.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de relevé d'activité radiofréquence de satellites artificiels en orbite terrestre, émetteurs de signal électromagnétique, caractérisé en ce que le dispositif contient une antenne de réception d'un signal d'acquisition, une chaîne de réception, un calculateur apte à calculer, à partir du signal, la densité spectrale de puissance (DSP) sur au moins une sous-bande de fréquence, un dispositif de pilotage pour pointer l'axe de visée de l'antenne vers au moins une séquence de positions orbitales prescrites (Pi), successives et distinctes l'une de l'autre.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif, procédé et programme de relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels
L'invention concerne un dispositif et un procédé de relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels en orbite terrestre, et un programme d’ordinateur pour leur mise en œuvre.
Domaine
Figure imgf000003_0001
Le domaine de l’invention concerne les satellites en activité, sur toute sorte d’orbites.
Etat de la technique
On connaît un service de détermination des orbites des satellites géostationnaires, qui exploite les déclarations fournies par les opérateurs sur l’usage du spectre radiofréquence fait par ces satellites, on le qualifie de système de « suivi orbital ».
Le service de suivi orbital connu utilise une technique de corrélation du signal émis par les satellites et acquis par des stations distantes l’une de l’autre, typiquement d’une distance de plusieurs centaines de kilomètres. Cette technique nécessite de transférer à un centre de calcul de grandes quantités de données. Une scrutation systématique d’une orbite, comme par exemple la ceinture de Clarke (orbite géostationnaire), par cette technique serait limitée par la bande passante des communications longue distance vers le centre de calcul et nécessiterait donc un temps de mesure inacceptable et un coût de communications élevé.
Aussi, des satellites qui émettent de manière sporadique risquent de ne pas être détectés par cette méthode, car le rythme de revisite d’une position orbitale serait trop lent (plus d’une journée). De plus, lorsque le suivi orbital par des stations distantes est en échec, il n’est pas évident de déterminer quelle peut en être la cause : changement du plan/fréquence par le satellite, arrêt des communications du satellite ou autres causes.
Un objectif de l’invention est d’obtenir un dispositif, un procédé et un programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence provenant de satellites artificiels en orbite terrestre, qui permettent de découvrir et d’identifier de manière automatique les émissions radiofréquences issues de satellites sans information tierce préalable, c’est-à-dire sans considérer les déclarations fournies par les opérateurs et ce avec un temps de revisite court.
Exposé de l’invention
À cet effet, un premier objet de l’invention est un procédé de relevé d’activité radiofréquence d’au moins un satellite artificiel, qui se trouve en orbite terrestre et qui est émetteur d’un signal radiofréquence, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : pointage, par un dispositif de contrôle d’antenne, d’au moins une antenne pour déplacer un axe de visée de l’antenne vers au moins une séquence de positions de pointage prescrites, successives et distinctes l’une de l’autre, l’antenne étant en forme de réflecteur, dont un bord extérieur délimite un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 6 mètres, et pour chaque position de pointage prescrite : collecte du signal radiofréquence par l’antenne et conversion du signal radiofréquence par une chaîne radiofréquence en un signal numérique, calcul par un calculateur d’au moins un relevé de densités spectrales de puissance brutes sur au moins une sous-bande de fréquence de réception à partir du signal numérique, retraitement du relevé de densités spectrales de puissance brutes en un relevé de densités spectrales de puissance affinées par application d’un traitement de convolution inverse du diagramme de rayonnement de l’antenne dans la sous-bande de fréquence de réception par le calculateur.
Ainsi, l'invention, par la combinaison d’une antenne de petite taille et de la convolution inverse, permet de détecter un plus grand nombre de satellites, car le lobe principal de l’antenne ayant le petit diamètre mentionné ci-dessus est plus large, permet de couvrir un plus grand nombre de satellites à chaque position de pointage de l’antenne et permet un temps de revisite plus court (qui est le temps écoulé pour effectuer l’ensemble des séquences de balayage planifiées), augmentant ainsi la possibilité de détecter une émission non permanente d’un satellite. Cela permet d’augmenter le pas des mesures d’une position de pointage à la position de pointage suivante dans la séquence et donc la vitesse d’acquisition de la densité spectrale de puissance affinée, tout en réduisant le coût de l’infrastructure. Ainsi, l'invention permet de détecter l’ensemble des satellites artificiels ayant une activité radiofréquence, qu’ils aient ou pas été répertoriés. Ce système est dénommé « cartographie spectrale ». Une scrutation n’utilisant qu’une seule station à la fois sur laquelle est installé le dispositif suivant l’invention peut donc être envisagée. Grâce à l’invention, on répertorie des usages non déclarés par un opérateur, des changements de plan de fréquence, de position orbitale, des nouvelles mises à postes ou encore des défaillances en ce qui concerne des satellites artificiels en orbite terrestre. L’invention permet de diminuer le temps de revisite pour détecter le plus d’évènements possibles. L’invention permet d’établir une cartographie précise avec une revisite rapide (quelques heures au plus), tout en employant une ou plusieurs antennes de taille limitée et de coût réduit. La cartographie spectrale peut donc être mise à jour fréquemment, plusieurs fois par jour et tous les jours de façon à être capable d’identifier à coup sûr les changements d’usage fait par l’opérateur. L’invention peut créer la cartographie sous la forme d’une carte de densité spectrale de puissance en fonction de la position de pointage et de la fréquence, permettant de visualiser et d’interpréter l’origine du spectre radiofréquence reçu, ainsi que son évolution dans le temps. On peut ainsi détecter des objets célestes et les changements d’usage (pannes, mises à poste, changement de plan de fréquence) concernant les satellites. L’invention peut effectuer une cartographie de l’usage du spectre de fréquence en fonction de la position orbitale (longitude ou anomalie quand on balaye une orbite) de tout ou partie de la ou des orbites considérées, sur une ou plusieurs sous-bandes de fréquence de réception. L’invention peut être utilisée pour détecter des satellites sur tout type d’orbites, ce qui inclut donc celles non-géostationnaires.
L’invention permet de mettre en suivi orbital les satellites détectés. Cela permet de s’affranchir des déclarations d’utilisations fréquentielles des opérateurs et de suivre ces objets, qu’ils aient été ou non déclarés.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, l’antenne a un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 4 mètres.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, l’antenne a un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 2,50 mètres.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, l’antenne a un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 2,10 mètres.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le retraitement du relevé de densités spectrales de puissance brutes comprend le traitement de convolution inverse du diagramme de rayonnement de l’antenne à une fréquence dans la sous-bande de fréquence de réception, le calcul de la réponse impulsionnelle de la convolution inverse à partir du diagramme de rayonnement de l’antenne qui a été mesuré au préalable à la même fréquence et qui a été enregistré au préalable dans une mémoire du calculateur.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la convolution inverse est effectuée pour une combinaison linéaire de plusieurs densités spectrales de puissances brutes successives pour les positions de pointage prescrites, successives.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le procédé comprend le pointage de l’axe de visée de l’antenne suivant une trajectoire prescrite de balayage passant par les positions de pointage prescrites à des instants consécutifs.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la trajectoire prescrite de balayage poursuit pendant une durée non nulle chaque position de pointage prescrite.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la trajectoire prescrite de balayage relie avec une vitesse régulière les positions de pointage successives prescrites.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de contrôle d’antenne interrompt le déplacement de l’axe de visée lorsque des positions de pointage prescrites se situent sous une élévation minimale prédéfinie.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, les positions de pointage prescrites successives présentent la même période orbitale.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, les positions de pointage prescrites d’au moins une des séquences de positions de pointage prescrites parcourent une orbite déterminée.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, l’orbite déterminée est la ceinture de Clarke des satellites géostationnaires.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, les axes de visée des positions de pointage prescrites, successives sont écartés d’un angle inférieur à une largeur d’un lobe principal de rayonnement de l’antenne, dans l’intervalle de temps où l’antenne passe de la position de pointage prescrite à la position de pointage prescrite suivante dans la séquence.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le calculateur relève la densité spectrale de puissance brute à chaque position de pointage prescrite à partir du signal numérique. Suivant un mode de réalisation de l’invention, le relevé de densités spectrales de puissance brutes s’effectue par une acquisition du signal radiofréquence, qui est collecté par l’antenne et qui est numérisé par la chaîne radiofréquence selon des fenêtres disjointes d’une durée minimale prédéfinie.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, pour mesurer la relevé de densités spectrales de puissance brutes à chaque position de pointage prescrite, le calculateur pour chaque fenêtre de durée du signal numérique calcule la transformée de Fourier puis élève son module au carré et divise le tout par la durée de la fenêtre.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la vitesse moyenne de balayage de l’antenne relativement à la vitesse de poursuite de la position de pointage dans la séquence est inférieure à 0/D, où 0 est la largeur du lobe principal de rayonnement de l’antenne.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le procédé comprend le calcul, par le calculateur, et un enregistrement, par le calculateur, d’une cartographie constituée par les relevés de densités spectrales de puissance affinées en fonction de la fréquence et de la position de pointage prescrite.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, on extrait de la cartographie par le calculateur une image qui dispose côte à côte, les niveaux des densités spectrales de puissance affinées, relevées successivement aux positions de pointage prescrites, dans la au moins une sous-bande de fréquence de réception, la position orbitale de pointage et la fréquence constituant, au choix, les axes d’abscisse et d’ordonnée de l’image.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le niveau de chaque densité spectrale de puissance affinée est représenté par une valeur de pixel, notamment la couleur ou un niveau de luminosité ou un niveau de gris.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, il est procédé par le calculateur à une recherche de pics sur une partie ou sur l’ensemble des courbes de niveau longitudinales des densités spectrales de puissance brutes ou affinées pour déterminer la position la plus probable du au moins un satellite émetteur du spectre relevé.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la ou les positions probables de satellites et leur relevé de densité spectrale de puissance associé sont comparés par le calculateur aux déclarations des opérateurs.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, la ou les positions probables de satellites associées et éventuellement tout ou partie de leur relevé de densité spectrale de puissance sont transmises par le calculateur à un système de suivi orbital. Un deuxième objet de l’invention est un dispositif de relevé d’activité radiofréquence d’au moins un satellite artificiel, qui est émetteur d’un signal radiofréquence, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins une antenne de réception pointée selon un axe de visée et qui est apte à collecter le signal radiofréquence, l’antenne étant en forme de réflecteur, dont un bord extérieur délimite un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 6 mètres, une unité de contrôle de l’antenne pour pointer l’axe de visée de l’antenne vers au moins une séquence de positions de pointage prescrites, successives et distinctes les unes des autres, une chaîne de réception radiofréquence et de conversion numérique, qui acquiert le signal radiofréquence en un signal numérique sur au moins une sous-bande de fréquence de réception, un calculateur apte à calculer, à partir du signal numérique, au moins un relevé de densités spectrales de puissance sur la sous-bande de fréquence de réception, et à retraiter le relevé de densités spectrales de puissance brutes en un relevé de densités spectrales de puissance affinées par application d’un traitement de convolution inverse du diagramme de rayonnement de l’antenne dans la sous-bande de fréquence de réception par le calculateur.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de pilotage est apte à pointer l’axe de visée de l’antenne suivant une trajectoire prescrite de balayage passant par les positions prescrites de pointage à des instants consécutifs.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, l’antenne est choisie de taille juste suffisante pour pouvoir détecter le signal d’un satellite émettant au seuil de puissance isotrope rayonnée équivalente que l’on veut relever.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de relevé de l’activité radiofréquence comporte un dispositif d’enregistrement apte à enregistrer une cartographie constituée par des relevés de la densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence et de la position de pointage prescrite.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’enregistrement est apte à enregistrer un historique de la cartographie, c’est-à-dire plusieurs relevés de densité spectrale de puissance effectués à des dates différentes concernant la même position de pointage prescrite.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le calculateur et le dispositif d’enregistrement sont aptes à constituer au moins une image différentielle entre des historiques de la cartographie correspondant à des dates d’acquisition différentes pour la même séquence de positions de pointage prescrites.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le relevé de densité spectrale s’effectue par une acquisition du signal radiofréquence, qui est collecté par l’antenne et qui est numérisé par la chaîne radiofréquence selon des fenêtres disjointes d’une durée minimale prédéfinie D.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, pour mesurer la densité spectrale de puissance du signal à chaque position de pointage prescrite, le calculateur pour chaque fenêtre de durée du signal numérique est configuré pour calculer la transformée de Fourier puis élever son module au carré et diviser le tout par la durée de la fenêtre.
Un troisième objet de l’invention est un programme d’ordinateur pour la mise en oeuvre du procédé de relevé d’activité radiofréquence d’au moins un satellite artificiel tel que décrit-ci-dessus, comportant des instructions de codes pour l’exécution des étapes de pointage, collecte, conversion, calcul et retraitement, lorsque le programme d’ordinateur est exécuté sur un ou plusieurs calculateurs.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif en référence aux figures ci-dessous des dessins annexés.
[Fig. 1] représente une vue schématique en perspective du dispositif de relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels en orbite terrestre suivant un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 2] représente un synoptique modulaire du dispositif de relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels en orbite terrestre suivant un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 3] représente un organigramme du procédé de relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels en orbite terrestre suivant un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 4] représente un premier exemple d’une image cartographique de densités spectrales de puissance obtenue pendant un premier balayage d’orbites par le dispositif, le procédé et le programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention. [Fig. 5] représente un deuxième exemple d’une image cartographique de densités spectrales de puissance obtenue par le dispositif, le procédé et le programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention pendant un deuxième balayage d’orbites postérieur au premier balayage d’orbites.
[Fig. 6] représente une image cartographique différentielle de densités spectrales de puissance, obtenue à partir du premier exemple d’image cartographique de la figure 4 et du deuxième exemple d’image cartographique de la figure 5, par le dispositif, le procédé et le programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 7] représente une coupe fréquentielle d’un ensemble de Diracs représentant des satellites, idéalement vus comme des points, à balayer et acquérir par le dispositif, le procédé et le programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 8] représente un exemple de diagramme de rayonnement de l’antenne des dispositif, procédé et programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 9] représente un exemple de densité spectrale de puissance reçue par l’antenne des dispositif, procédé et programme d’ordinateur pour le relevé de d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 10] représente un exemple d’une image cartographique de densité spectrale de puissance obtenue par le dispositif, le procédé et le programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention après une convolution inverse.
[Fig. 11] représente un exemple d’une image cartographique de densités spectrales de puissance obtenue par le dispositif, le procédé et le programme d’ordinateur pour le relevé d’activité radiofréquence de satellites artificiels suivant un mode de réalisation de l’invention après une convolution inverse suivant la figure 10 et après recherche des pics.
[Fig. 12] représente schématiquement un repère géocentrique, dans lequel peuvent être définis des paramètres d’un satellite.
Description détaillée de l’invention À la figure 1 , le dispositif 1 de relevé suivant l’invention peut servir à détecter une activité radiofréquence d’un ou de plusieurs satellites SÀT1 , SÀT2, SÀT3, SAT4 (ou d’une manière générale des objets spatiaux ou objets célestes) se trouvant sur une ou plusieurs positions orbitales terrestres Ps autour de la terre T. Le dispositif 1 de relevé est installé en une position géographique déterminée Y de la surface ST du globe T. Le ou les satellites SÀT1 , SÀT2, SÀT3, SAT4 ou objets spatiaux peuvent émettre des signaux électromagnétiques vers la surface ST et vers le dispositif 1 de relevé. A la figure 1 , l’orbite ORB du ou des satellites SAT1 , SAT2, SAT3, SAT4 peut être quelconque, et par exemple d’orbite terrestre basse LEO (qui signifie en anglais :Low Earth Orbit) dont la période de révolution est inférieure à 128 minutes, d’orbite géostationnaire paraissant fixe depuis la terre T et donc de période de révolution égale à un jour sidéral, ou d’orbite terrestre moyenne MEO (qui signifie en anglais : Medium Earth Orbit) c’est-à-dire entre les deux. Le dispositif 1 de relevé met en oeuvre les étapes décrites ci-dessous d’un procédé de relevé d’activité radiofréquence d’un ou plusieurs satellites suivant l’invention.
Il peut être prévu une ou plusieurs stations situées sur la surface ST du globe T, la station ou chaque station comportant le dispositif 1 de relevé suivant l’invention. Le travail de chaque station peut être planifié, par exemple d’une manière centralisée dans le cas de plusieurs stations, pour que les travaux des stations soient complémentaires.
Dans un mode de réalisation non limitatif, plusieurs antennes 2 et dispositifs 1 suivant l’invention peuvent être répartis sur différents points du globe T afin de pouvoir couvrir l’ensemble des positions orbitales d’intérêt et toutes les sous-bandes Wx de fréquences visées.
Parties principales du dispositif de relevé
Le dispositif 1 de relevé suivant l’invention comporte les éléments qui vont être décrits plus en détails ci-dessous :
• Une antenne 2,
• Une chaîne 20 de réception radiofréquence et de conversion numérique,
• Un calculateur 3,
• Un dispositif 4 de pointage de l’antenne 2,
• Un dispositif 5 d’enregistrement d’une cartographie. édé de suivi
Dans une réalisation préférée, les étapes du procédé de relevé selon l’invention suivent la description donnée ci-dessous. Elles décrivent les différentes opérations qui contribuent à l’invention. Elles se déroulent en fait de façon non séquentielle, c’est-à-dire que plusieurs étapes se déroulent de façon concourante. Une ou plusieurs de ces étapes peut être omises ou être implémentées selon des alternatives, en référence à la figure 3.
- Etape EO : configuration du dispositif 1 :
L’utilisateur du système de relevé doit planifier les balayages et les acquisitions de signal à effectuer. Pour cela, il configure le dispositif 1 de relevé de la cartographie. L’utilisateur configure tout d’abord les caractéristiques propres de la station. Celles-ci sont utiles pour exécuter les étapes ultérieures :
Pour l’étape E1 de pointage de l’antenne, on configure :
• la position géographique O de l’antenne 2, en longitude et latitude,
• l’élévation minimale Elo de pointage de l’antenne 2,
• la vitesse maximale de pointage,
• la largeur 0 du lobe principal,
• Une ou plusieurs orbites ou plus généralement la ou les séquences de positions orbitales successives à balayer pour chaque relevé,
• le mode de balayage à mettre en oeuvre, régulier ou discret.
Pour l’étape E2 de collecte du signal, on configure :
• le pilotage de la chaîne radiofréquence 20, notamment les gains des équipements,
• les sous-bandes Wx relevées du spectre, le plan de fréquence des convertisseurs.
Pour l’étape E3 de relevé de densité spectrale de puissance, on configure :
• La résolution fréquentielle attendue,
• le moyennage à mettre en oeuvre.
Pour l’étape E4 de construction de la cartographie, on configure :
• La structure de données à enregistrer, couvrant l’ensemble des positions orbitales qui sont scrutées.
Pour l’étape E5 de visualisation, on configure : Des paramètres de visualisation, modifiables par l’utilisateur.
Pour l’étape optionnelle E6 de retraitement de la cartographie, on configure :
• le diagramme de rayonnement de l’antenne 2, lorsqu’on procède à une opération de convolution inverse. Le diagramme de rayonnement pourra avoir été mesuré au préalable.
Pour l’étape optionnelle E7 de mise en suivi orbital, on configure :
• Le format et la destination des données à fournir au système de suivi.
- Etape E1 : Positionnement/pointage :
Le dispositif 1 de relevé comporte une unité 4 de contrôle de l’antenne 2, dite ÀCU (en anglais : Antenna Control Unit), pour pointer des satellites dont la position orbitale Ps se trouve pointée selon une élévation supérieure à l’élévation minimale Elo définie à l’étape de configuration EO. L’ÀCU 4 qui contient un calculateur, commande les moteurs du positionneur de l’antenne 2 pour que son axe 21 de visée pointe vers une position de pointage, telle que par exemple celles décrites ci-dessous. L’ÀCU 4 d’une station selon l’état de l’art qui communiquerait avec un satellite SÀT se trouvant à cette position de pointage calcule l’évolution en fonction du temps t de l’emplacement S(Ps,t) de la position de pointage, puis l’angle de l’axe 21 de visée p[OS(Ps,t)] qu’on notera par souci de simplification p(Ps, t), où O est l’emplacement géographique de la station. Par convention, l’angle de l’axe de visée 21 est déterminé par l’azimut et l’élévation de la droite OS(t), relativement au plan horizontal et au nord géographique. Aussi, l’ACU 4 doit auparavant convertir la position géographique O de la station en position dans le repère géocentrique pour lequel sont donnés les paramètres orbitaux du satellite. Il faut donc tenir compte à cet effet de la rotation de la terre sur elle-même et autour du soleil.
Dans le cadre de la mécanique classique et de l’attraction gravitationnelle par un seul astre de révolution, les orbites obéissent aux lois de Kepler. Dans un repère géocentrique, ainsi qu’illustré à la figure 12, c’est-à-dire positionné au centre de la terre et dont les axes pointent des étoiles fixes, chaque orbite ORB est une ellipse inscrite dans un plan orbital dont le centre de la terre est l’un des foyers. Une position orbitale d’un satellite est entièrement déterminée par six paramètres. Dans les descriptions standardisées les plus courantes, comme les TLE (en anglais : Two Line Elements), le plan orbital est défini par deux paramètres (inclinaison i par rapport à un plan de référence PREF et nœud ascendant). L’orientation de l’ellipse dans le plan orbital est définie par l’angle de son périgée (point de l’orbite ORB le plus proche de la terre), quand l’excentricité indique l’aplatissement de l’ellipse et donc le ratio entre son grand axe et son petit axe. La taille du demi grand axe de l’ellipse a et la période de révolution Pr sont reliées par la troisième loi de Kepler : Pr 2/a3 = 4n2/GM où M est la masse de la terre et G la constante universelle de gravité. Le cinquième paramètre peut donc être choisi indifféremment comme la période de révolution ou le demi grand axe. Par convention, on considère dans la suite que les orbites ORB sont décrites par leur période de révolution Pr. Plutôt que la période de révolution, les TLE fournissent en fait le mouvement moyen qui correspond au nombre fractionnaire de rotations par jour, ce qui est équivalent.
Ces cinq premiers paramètres permettent de déterminer de façon univoque une ellipse dans l’espace, c’est-à-dire la trajectoire suivie par le satellite qu’on appelle l’orbite. Le dernier paramètre pour décrire une position orbitale est l’anomalie qui permet de connaître à tout instant la position angulaire du satellite sur l’ellipse. On peut définir l’anomalie de plusieurs façons : anomalie vraie v, excentrique ou moyenne, ce choix n’importe pas pour l’invention.
La position orbitale d’un satellite dérive lentement, sous les effets des variations de gravité de la terre, des marées de la lune et du soleil, de la relativité générale, du vent solaire. Ces effets sont perceptibles sur des durées de plusieurs jours. Le plus souvent, un satellite est assigné à une position orbitale, il manoeuvre pour se maintenir sur celle-ci. Certains satellites ont vocation à changer de position orbitale (surveillance de l’espace, service en orbite). L’invention permet d’identifier tous ces mouvements.
Dans l’invention, la planification programmée à l’étape EO prévoit de déplacer l’axe 21 de visée de l’antenne 2 vers une séquence de positions de pointage prescrites P,, qui sont par exemple P1 , P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10 à la figure 1 pour i variant par exemple de 1 à 10, successives et distinctes l’une de l’autre. Il peut y avoir un pas prescrit entre les positions de pointage successives. Les positions de pointage prescrites peuvent être par exemple des positions orbitales prescrites P1 , P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P10. L’indice i prend successivement une valeur allant de 1 à N, où N est un nombre entier de positions de pointage, quelconque. Lors d’un balayage, les positions P, sont effectivement atteintes à des instants t, qui constituent une suite croissante de dates. Ces positions de pointage prescrites P, sont des positions spatiales d’intérêt où peuvent se trouver des satellites SÀT1 , SÀT2, SÀT3, SÀT4 et dont on collecte le signal radio émis pour en mesurer la densité spectrale de puissance. L’unité de contrôle d’antenne qui pilote l’antenne 2 selon l’invention effectue les mêmes opérations de calcul d’axe 21 de visée que celles d’un ÀCU poursuivant un satellite à la position orbitale Ps, mais elle réitère cette opération en prenant à chaque fois la position de pointage suivante dans la séquence alors qu’un ÀCU en mode de poursuite conserve la même position orbitale.
L’axe de visée 21 doit nécessairement évoluer de façon continue, aussi l’ÀCU doit interpoler les positions de pointage entre les instants t, et tw pour créer une courbe de balayage continue B(t). Deux modes de balayage sont possibles. Le premier dit de balayage discret, consiste à poursuivre une position de pointage fixe puis à rallier au plus vite la suivante, étant donnée la vitesse maximale à laquelle le positionneur peut bouger. Dans ce cas, la position de pointage s’arrête sur P, à t, et y demeure un certain temps avant de rejoindre au plus rapide Pi+i. Le second dit de balayage régulier, consiste à faire varier progressivement les caractéristiques de la position de pointage visée à la suivante. Dans ce cas, chaque paramètre de pointage évolue progressivement de la valeur du paramètre de la position de pointage P, à celle de Pi+i entre t, et tw. Par construction, dans les deux modes de balayage, on a pour chaque instant t, : B(ti) = p[OS(Pi, t,)] = P(Pi, L).
L’ÀCU 4 doit vérifier à chaque instant que l’élévation de l’axe 21 de visée demeure supérieure à la valeur minimale Elo définie à l’étape de configuration E0. Pour chaque position de pointage, l’ÀCU doit déterminer si celle-ci respecte le minimum d’élévation. Lors du balayage, dès qu’une position de pointage occasionne un axe 21 de visée dont l’élévation est inférieure au minimum d’élévation Elo, elle ignore la position de pointage et passe directement à la suivante. Pour chaque séquence, la courbe de balayage B(t) parcourt une portion d’arc, dont l’angle développé est noté a. Celui-ci sera donc plus petit que l’arc dont le balayage a été planifié à l’étape E0, dès lors qu’une partie de cet arc se trouve à une élévation inférieure à l’élévation minimale. Lorsque l’ACU a terminé l’ensemble du balayage de chaque séquence, elle peut reprendre celui-ci au début. Le temps écoulé pour effectuer l’ensemble des séquences de balayage planifiées est appelé le temps de revisite R.
Dans la réalisation la plus générale, les positions de pointage prescrites P, de chaque séquence sont disposées dans un ordre quelconque, mais pour optimiser le temps de revisite R, on a intérêt à définir un ordre tel que la courbe B(t) présente l’angle développé a le plus court possible, c’est-à-dire que B(t) est le chemin le plus court reliant les positions de pointage P,. Si la séquence possède des positions de pointage de périodes de révolution différentes, la solution optimale sera très différente à chaque séquence car les positions orbitales auront évolué de manière indépendante. Aussi, dans une réalisation préférée, les positions de pointage d’une séquence sont choisies pour présenter toutes la même période orbitale, ce qui garantit que leurs distances relatives évolueront peu d’un balayage à l’autre, et permet alors de définir des séquences quasi-optimales une fois pour toutes. Dans une réalisation particulière, on balaye des orbites quasi-circulaires c’est-à-dire à excentricité quasiment nulle, ce qui concerne la très grande majorité des satellites-r L’orbite circulaire la plus connue est l’orbite géostationnaire. Dans ce cas, les positions orbitales sont sur le plan équatorial et fixes pour un observateur fixe à la surface du globe. La portion d’arc a la plus grande possible est la mesure de l’arc géostationnaire de son extrémité Est à son extrémité Ouest à l’élévation minimale Elo. Si la séquence ne balaye que l’arc géostationnaire, le temps de revisite R tel que défini plus haut est le temps écoulé entre deux mesures consécutives d’une même position de pointage ou orbitale. Pour le balayage d’une orbite LEO, le temps de revisite sépare des mesures qui peuvent être faites à des anomalies différentes car ce temps de revisite n’est pas forcément un nombre entier de périodes de révolution de l’orbite considérée.
Les figures 4 et suivantes ont été réalisées en considérant un balayage de l’arc géostationnaire. Dans ce cas, l’élément de position de pointage balayé est la longitude qui correspond à l’anomalie sur l’arc géostationnaire de façon univoque. Dans le cas plus général d’un balayage d’une orbite quelconque, il faudrait remplacer la longitude par l’anomalie sans que cela modifie la portée des figures.
Un autre cas particulier consiste à balayer les positions d’une constellation de satellites. En général, une constellation de satellites est constituée d’un petit nombre de périodes de révolution (1 pour GPS, Galileo, O3B, OneWeb, Iridium Next ; 3 pour le projet Kuiper et la phase 2 de Starlink ; 4 pour la phase 1 de Starlink). À chacune de ces périodes Pr (correspondant à une altitude), la constellation de satellites place un grand nombre de satellites selon des orbites circulaires et sur une série de plans orbitaux, tous à la même inclinaison et régulièrement espacés, c’est-à-dire que leurs noeuds ascendants sont des multiples de 360/p° avec p plans orbitaux distincts. Ici, le balayage planifié peut consister à faire varier à la fois l’anomalie et le nœud ascendant. Par exemple, lorsque la constellation est fortement inclinée, on peut chercher à balayer les positions orbitales correspondant à l’emplacement de chaque orbite qui est le plus proche de l’axe polaire, tout en parcourant les plans successifs, c’est-à-dire en faisant varier de proche en proche le nœud ascendant dans le sens croissant ou décroissant. Le balayage obtenu formera un cercle autour de l’axe polaire et il présente un faible déplacement angulaire pour parcourir l’altitude considérée de la constellation. Quand la position de l’antenne est suffisamment proche du pôle, alors l’axe 21 de visée de ce balayage présente toujours une élévation importante et la séquence peut être maintenue indéfiniment. - Etape E2 : Collecte, acquisition et enregistrement du signal.
À la figure 2, le dispositif 1 de relevé suivant l’invention comporte une (ou plusieurs) antenne 2 de réception pointée selon un axe 21 de visée. L’antenne 2 dirigée au-dessus de Elo, collecte un signal radiofréquence X(t) qui est une fonction du temps.
Le dispositif 1 comporte une chaîne 20 de réception radiofréquence et de conversion numérique du signal radiofréquence X(t) qui en fait l’acquisition sous la forme d’échantillons numériques X(n).
Un exemple de chaîne 20 de réception en aval de l’antenne 2 dans une station est décrit ci-dessous en référence à la figure 2. La station incorpore une chaîne radiofréquence 20 entre l’antenne 2 et le calculateur 3. Dans l’étape E2, le signal radiofréquence X(t) en sortie de l’antenne 2 est numérisé à l’extrémité de la chaîne 20 de réception radiofréquence. Classiquement, cette chaîne de réception 20 comprend un filtre hyperfréquence qui sélectionne la bande utile, un amplificateur faible bruit (LNÀ, en anglais : Low Noise Amplifier) qui renforce le signal à une puissance suffisante, suivi d’un convertisseur abaisseur de fréquence amenant la bande d’intérêt dans une bande intermédiaire où le signal est enfin échantillonné et numérisé par un convertisseur analogique-numérique ( en anglais ADC = Analogue to Digital Converter) travaillant à la fréquence d’échantillonnage fe. On obtient alors une séquence X(n) d’échantillons à l’indice n, acquis aux instant n/fe. De façon alternative à ce schéma monovoie représenté à la figure 2, le signal préamplifié peut aussi être divisé en plusieurs voies d’indice x sur lesquelles on traite des sous-bandes Wx ayant chacune sa chaîne d’acquisition. On dispose alors un convertisseur de fréquence puis un numériseur sur chaque voie ce qui permet d’augmenter la bande instantanée traitée. On peut sinon n’avoir qu’un numériseur et commuter alternativement chaque sous-bande Wx sur son entrée, mais cette architecture moins onéreuse augmente en contrepartie le temps nécessaire pour procéder à une acquisition.
Il est ensuite effectué un enregistrement du signal numérisé X(n). L’enregistrement du signal brut peut être conservé si besoin, le temps voulu, selon la capacité mémoire 51.
Dans la pratique, l’antenne 2 peut être en général en forme de réflecteur parabolique 22, dont un bord extérieur 23 délimite un diamètre 24 d’ouverture. Bien entendu, l’antenne pourrait être en forme de réflecteur d’une forme autre que parabolique. L’antenne 2 n’est pas une antenne parfaite présentant un faisceau infiniment fin. Aussi, elle ne collecte pas que le signal issu de son axe de visée 21 mais une multitude de contributions venant de diverses directions qui sont pondérées selon son diagramme de rayonnement à la fréquence considérée. Le diagramme de rayonnement à la fréquence f, dont un exemple est donné à la figure 8, présente un lobe principal, de largeur 0, qui concentre la plus grande contribution de puissance autour de l’axe de l’antenne aligné sur l’axe de visée 21 . Les lobes secondaires collectent plus faiblement du signal provenant de directions plus éloignées de l’axe de visée 21. Pour un satellite S émettant une PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente) Pe depuis la direction d’angle y, déterminé par son azimut et son élévation, la puissance reçue par l’antenne pointée à un axe de visée p, déterminé également par son azimut et son élévation, vaut Pr = Pl.Pe.D(y-p, f), où PI est la perte d’espace libre qui vaut (X/4nd)2 avec X la longueur d’onde et d la distance du satellite. Ici, la soustraction d’angle doit se comprendre au sens de la composition de rotation, - représentant la rotation inverse de celle qui a permis de pointer l’axe de visée p.
Le diagramme D(y,f) est une fonction de la fréquence et de l’angle de dépointage y (qui est l’écart angulaire par rapport à l’axe 21 de visée, ainsi que représenté à titre d’exemple à la figure 8) qui fournit le gain en puissance de l’antenne. Celui-ci est maximal pour un dépointage nul. En principe, l’antenne, pouvant par exemple être de forme parabolique, est de symétrie de révolution. Le lobe principal l’est donc aussi et sa largeur 0 ne dépend pas de l’orientation du dépointage. On définit la largeur 0 du lobe principal à 3dB, ou sinon à y dB avec y différent de 3. La largeur du lobe vaut le double du dépointage admissible pour que le gain perde y dB. Pour y valant 3dB, cela correspond à une perte de moitié du gain maximal dans l’axe 21 de visée.
Dans un mode de réalisation, les positions de pointage successives prescrites sont des positions d’intérêt isolées. Dans un autre mode de réalisation préféré, l’objectif du balayage est de collecter au passage le signal issu de toutes les positions intermédiaires entre deux positions de pointage successives prescrites dans la séquence de façon à détecter des satellites actifs qui pourraient s’y trouver. Pour que cela soit respecté, ces positions doivent être collectées dans le lobe principal de la position de pointage précédente ou de la position de pointage suivante, au choix. Plus précisément, on impose que chaque position intermédiaire se situe dans le cône de largeur de lobe 0 autour de la position de pointage précédente ou suivante, de façon à garantir une certaine qualité de collecte du signal qui peut en provenir. En conséquence, dans ce mode préféré de l’invention, deux positions de pointage successives auxquelles on mesure la densité spectrale doivent correspondre à des trajectoires de poursuite écartées d’une valeur d’axe de visée 21 moindre que la largeur 0 du lobe principal, ceci dans l’intervalle de temps où on bascule de l’une à l’autre. Cette condition se traduit par l’inégalité :
| P(Pi,+1,ti) - P(Pi,ti) | < 0ydB et/OU | P(Pi,+1,ti+l) - P(Pi,ti+l) | < 0ydB Quand on prend y égal à 1 ou 2dB, le lobe d’antenne considéré est étroit et le signal collecté à chaque position de pointage intermédiaire est peu distordu. En revanche, avec y égal à 3 ou 4dB, le lobe d’antenne est plus large au prix d’une distorsion plus importante du signal collecté aux positions de pointage intermédiaires.
- Etape E3 : Relevé de densité spectrale de puissance
Àu cours de l’étape E3, le dispositif 1 de relevé comporte un calculateur 3 apte à calculer, à partir des échantillons X(n) du signal numérisé pris dans une fenêtre autour d’une date t (dans ce qui suit les termes date t et instant sont synonymes), une densité spectrale de puissance brute DSb(Ps,t,f) à la fréquence f dans l’une (ou plusieurs) des sous-bandes Wx de fréquence et pour chaque position de pointage parcourant la séquence de positions de pointage successives prescrites Pi(ti) aux dates t=tj. Le calculateur 3 et le nombre d’unités centrales de traitement (en anglais : CPU) de celui-ci sont adaptés au besoin en puissance de calcul. Le calculateur 3 peut être mis en oeuvre par un (ou plusieurs) processeur, et/ou un (ou plusieurs) microprocesseur, et/ou une (ou plusieurs) unité centrale de traitement, et/ou un (ou plusieurs) ordinateur, et/ou autre.
Le dispositif comprenant le convertisseur-abaisseur, l’échantillonneur de la chaîne radiofréquence 20 et le calculateur 3 permet, pour chaque sous-bande Wx, de faire le travail d’un analyseur de spectre. Les avantages de l’architecture de la figure 2 vis-à-vis d’un analyseur de spectre, sont une capacité d’enregistrement exhaustif des acquisitions et de la densité spectrale de puissance, et une exécution plus rapide. En effet, on peut éviter tout temps mort entre les fenêtres servant au calcul de la densité spectrale de puissance. Les mêmes traitements faits avec un analyseur de spectre aboutiraient donc à un temps de revisite R plus long.
L’activité radiofréquence est révélée par la présence de composantes spectrales du signal collecté qui sont supérieures au niveau du bruit de fond. Le relevé d’activité radiofréquence consiste donc à mesurer la densité spectrale de puissance du signal à chaque position de pointage prescrite. Pour cela, il faut prendre une fenêtre de durée F du signal, en calculer la transformée de Fourier puis élever son module au carré et diviser le tout par la durée de la fenêtre. Ceci fournit une estimation brute de la densité spectrale de puissance qui présente une résolution fréquentielle de 1 /F et une fluctuation de niveau importante liée au bruit. Pour limiter cet effet, on peut moyenner la densité spectrale de puissance, selon deux méthodes possibles. La première consiste à moyenner q fréquences adjacentes, la seconde à moyenner q mesures consécutives donc traiter une durée D=qF de signal. Sur un analyseur de spectre analogique, cela s’appelle respectivement du filtrage vidéo ou du moyennage (en anglais : averaging). Dans les deux cas, on diminue la résolution effective par un facteur q par rapport à ce que permet une transformée de Fourier brute sur la même durée D d’acquisition du signal. Une résolution fréquentielle df avec un moyennage de profondeur q nécessitent donc une durée d’acquisition encore appelé temps d’exposition D=q/df.
Suivant un mode de réalisation de l’invention, le calculateur 3 commence par découper le signal numérisé X(n) en fenêtres de durée D, calées respectivement sur chaque position P,, comportant un nombre M, d’échantillons et donc de durée Di=Mj/fe. Typiquement, si le balayage est discret, la fenêtre D, commence à l’instant t, et s’arrête avant que l’ÀCU poursuive la position de pointage suivante, donc avant tw. Si le balayage est régulier, alors la fenêtre D, sera de préférence centrée sur l’instant t,. La densité spectrale calculée à l’étape i correspond donc bien à une collecte du signal radiofréquence X(t) centré à la position de pointage P,. Chaque mesure de densité spectrale brute, c’est-à-dire avant tout retraitement, est donc à la fois une fonction de la fréquence f dans la sous-bande Wx et de la succession de positions de pointage P,. On a vu à la description de l’étape E2 que l’antenne 2 collecte les signaux provenant du cône de largeur 0 autour de l’axe de visée. Cela signifie donc que 0 constitue la résolution spatiale des mesures de densités spectrales.
Entre les instants t, et tw, on définit la vitesse moyenne de pointage comme la variation d’angle de visée divisée par l’intervalle de temps. Celle-ci se décompose en une vitesse relative de balayage et une vitesse de poursuite selon la formule suivante :
[P(Pi+i,ti+i)-p(Pi,ti)]/(ti+i-ti) = Vp(ti+i) =
[P(Pi,+i,ti+i)]-p(Pi,ti+i)]/(ti+i-ti) + [p(Pi.,ti+i)-p(Pi,ti)]/(ti+i-ti) = Vs(ti+1) + Vt(ti+1).
Le choix d’une durée d’acquisition minimale D pour garantir une qualité de densité spectrale mesurée, c’est-à-dire sa résolution fréquentielle et la fluctuation du bruit, impose que les positions de pointage se succèdent à des instants espacés d’au moins le temps d’exposition : ti+i-ti > D, > D. En conséquence, dans le mode de réalisation préféré où les axes de visée des positions de pointage successives sont inférieurs à la largeur 0 de lobe, la vitesse relative de balayage Vs qui est la différence entre la vitesse moyenne de pointage Vp et la vitesse Vt de poursuite de la position de pointage courante doit rester inférieure à 0/D.
La vitesse de balayage maximale est déterminée par le temps d’exposition et la largeur de lobe secondaire. Cette vitesse de balayage est par définition nulle si on ne fait que poursuivre une position de pointage. La décomposition de la vitesse de pointage en vitesse de poursuite et de balayage s’applique à des vitesses apparentes qui sont une moyenne, quel que soit le mode de balayage. Ceci est valable que celui-ci soit effectué dans un mode discret ou dans un mode régulier. Dans le cas particulier du balayage de la ceinture de Clarke, la vitesse de poursuite est nulle car les positions orbitales sont fixes depuis la position géographique O de la station, donc la vitesse de pointage est égale à la vitesse de balayage et doit donc rester inférieure à 0/D.
La vitesse de poursuite est imposée par la dynamique céleste des positions orbitales choisies. Elle dépend fortement de la période de révolution des positions orbitales au sein d’un balayage. De son côté, la vitesse de balayage est limitée par 0/D. Lorsqu’on a choisi la qualité attendue de la mesure de densité spectrale de puissance, donc le temps d’exposition D, la vitesse de balayage est donc proportionnelle à la largeur de lobe 0. Maximiser la largeur de lobe permet donc de maximiser la vitesse de balayage, donc la vitesse de pointage et par conséquence minimiser le temps de revisite R, ceci quelles que soient les séquences de positions de pointage planifiées à l’étape EO.
Forte de ce constat, l’invention propose, dans un mode de réalisation préféré, que le diamètre 24 d’ouverture maximal de l’antenne 2 soit inférieur ou égal à 6 mètres. Par exemple, le diamètre d’ouverture maximal peut être supérieur ou égal à 1 mètre et inférieur ou égal à 6 mètres.
L’antenne 2 peut avoir un diamètre 24 d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 4 mètres, en pouvant être prévue au moins pour la sous-bande de fréquence réception Wx = Ku ou autre. Par exemple, le diamètre d’ouverture maximal de l’antenne 2 peut être supérieur ou égal à 1 mètre et inférieur ou égal à 4 mètres, l’antenne pouvant être prévue au moins pour la sous-bande de fréquence réception Wx = Ku ou autre.
L’antenne 2 peut avoir un diamètre 24 d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 6 mètres, en pouvant être prévue au moins pour la sous-bande de fréquence réception Wx = C ou autre. Par exemple, le diamètre d’ouverture maximal de l’antenne 2 peut être supérieur ou égal à 1 ,5 mètre et inférieur ou égal à 6 mètres, l’antenne pouvant être prévue au moins pour la sous-bande de fréquence réception Wx = C ou autre.
Ainsi, l’invention prévoit une taille d’antenne de taille suffisamment grande pour identifier à coup sûr un signal au seuil minimal de densité de PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente) des objets recherchés. L’antenne 2 est choisie de taille juste suffisante pour pouvoir détecter le signal d’un satellite émettant au seuil de puissance isotrope rayonnée équivalente que l’on veut relever.
Par exemple, l’antenne 2 peut avoir un diamètre 24 d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égale à 2,50 mètres (2 mètres et 50 centimètres), en pouvant être prévue pour la sous-bande de fréquence réception Wx = Ku et/ou C ou autres. Par exemple, le diamètre 24 d’ouverture maximal peut être supérieur ou égal à 1 ,50 mètre (1 mètre et 50 centimètres) et inférieur ou égal à 2,50 mètres, en pouvant être prévue pour les sous-bandes de fréquence réception Wx = Ku et/ou C ou autres.
Par exemple, l’antenne 2 peut avoir un diamètre 24 d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égale à 2,10 mètres (2 mètres et 10 centimètres), en pouvant être prévue pour les sous-bandes de fréquence réception Wx = Ku et/ou C ou autres. Par exemple, le diamètre 24 d’ouverture maximal peut être supérieur ou égal à 1 ,90 mètre (1 mètre et 90 centimètres) et inférieur ou égal à 2,10 mètres, en pouvant être prévue pour les sous-bandes de fréquence réception Wx = Ku et/ou C ou autres. Dans les sous-bandes de fréquence réception Wx = Ku et/ou C ou autres, cela permet de prendre une antenne 2 par exemple de l’ordre de 2 mètres de diamètre. Ces choix permettent le temps de revisite R le plus court possible.
Le diamètre 24 d’ouverture maximal de l’antenne 2, décrit ci-dessus, est particulièrement avantageux en combinaison avec le relevé de densités spectrales de puissance affinées DSa, calculé lors de l’étape E6 décrite ci-dessous, car c’est cette combinaison qui permet de détecter un plus grand nombre de satellites avec un temps de revisite plus court et un coût moins élevé.
- Etape E4 : Construction de la cartographie
La cartographie C est organisée par position de pointage P, et comporte la densité spectrale de puissance DSP pour une ou plusieurs de pointage P,. Pour chacune, on a pu relever la densité spectrale de puissance DSP fonction des fréquences f avec une mesure faite à la date t, dès lors que celle-ci correspond à l’une des positions de pointage P, successivement prescrites P, pour i allant de 1 à N, pour chaque séquence de relevé. La fréquence f est une fréquence dans l’une des sous-bandes Wx de fréquence de réception. Le relevé peut être directement envoyé pour visualisation ou pour utilisation par un autre système, mais dans la réalisation préférée, la cartographie C est enregistrée.
Pour ce faire, suivant un mode de réalisation, le dispositif 1 de relevé comporte un dispositif 5 d’enregistrement pour enregistrer une cartographie C des densités spectrales de puissances relevées DSP(Ps,f,t) ayant été mesurées par l’antenne 2 à la date t alors qu’elle était pointée sur la position de pointage P, . Le dispositif 5 d’enregistrement peut comporter une ou plusieurs mémoires permanentes 51 ou autres pour y enregistrer la cartographie C et/ou un ou plusieurs écrans 52 de visualisation pour afficher une image I de la cartographie C et/ou une ou plusieurs sorties physiques 53 pour fournir la cartographie C ou une image I de celle-ci, et/ou un ou plusieurs modules 54 de traitement de la cartographie C.
Dans un mode de réalisation, la densité spectrale de puissance relevée DSP(Ps,f,t) est prise directement égale à la densité spectrale de puissance brute DSb(Ps,t,f) calculée à l’étape E3. Dans un autre mode de réalisation, qui sera décrit ci-dessous à l’étape E6, la densité spectrale de puissance relevée DSP(Ps, t,f ) est calculée par le calculateur 3 avec un retraitement qui affine la densité spectrale de puissance brute DSb(Ps,t,f).
Pour chaque position de pointage P, de la cartographie C, on peut conserver le dernier relevé de densité spectrale DSP ou conserver un historique de profondeur quelconque, en fonction du besoin et de la capacité mémoire disponible 51. L’organisation du rangement en mémoire 51 des positions de pointage P, cartographiées est à priori indépendant de la succession des positions orbitales prescrites P,. Lorsque le système dispose d’une multitude d’antennes 2, on regroupe les cartographies établies par chacune, sachant qu’à l’étape EO on planifie de préférence chacune pour poursuivre des orbites ou des portions d’orbites différentes, sinon plus généralement des séquences de positions de pointage P, prescrites disjointes. Etant donné le lobe principal de l’antenne, la DSP à la position de pointage P, incorpore en fait des composantes spectrales collectées dans le cône de largeur de lobe 0 autour de l’axe 21 de visée à la date t. On collecte donc le signal d’une zone de positions au voisinage de la position de pointage P, prescrite P,. Les satellites ayant une période orbitale égale à celle de la position de pointage prescrite P, demeurent dans le voisinage de celle-ci, mais ceux ayant une période orbitale Ps légèrement différente dérivent régulièrement par rapport à celle-ci. Par exemple, dans le cas particulier où on balaye une orbite circulaire, la cartographie C incorpore des satellites du même plan ayant des orbites quasi-circulaires proches mais de même période orbitale et on constatera que ces satellites oscillent dans le temps autour de la position de pointage prescrite Pi qui est parfaitement circulaire. Un satellite du même plan ayant une période orbitale légèrement inférieure ou supérieure, bien que sur une orbite parfaitement circulaire, va apparaître comme présentant une anomalie qui croit ou décroit de façon linéaire.
- Etape E5 : Visualisation, IHM
Une cartographie C peut ainsi être exprimée graphiquement en images facilement interprétables pour des objets dont les positions relatives varient peu et lentement. Les images I constituées pour représenter la cartographie C consistent donc à former la fonction de la densité spectrale de puissance DSP pour le dernier relevé, sinon un relevé antérieur spécifié par l’utilisateur, correspondant à une position de pointage P, de la cartographie donnée selon une variable à deux dimensions : la fréquence et un paramètre de variation de la position de pointage Pi.
Dans un mode de réalisation, décrit ci-dessous en référence aux figures 4 et 5, l’image I de la cartographie C représente en abscisse les positions de pointage successivement prescrites P, d’un relevé, qui sont ainsi disposées côte à côte dans l’ordre chronologique de chaque relevé et en ordonnée la fréquence f. On peut inverser les axes avec les positions de pointage P, en ordonnées et les fréquences en abscisse. Dans le cas particulier où on a planifié le balayage d’une orbite en faisant varier la seule anomalie, les positions de pointage successives P, correspondent à des anomalies croissantes ou décroissantes sur cette orbite.
Dans un autre mode de réalisation, le paramètre de variation de la position de pointage P, est reconstitué de façon synthétique à partir d’une cartographie C qui contient des relevés de densité spectrale de puissance DSP pour une multitude d’orbites à la même période orbitale. Par exemple, pour une constellation comme cela a été vu plus haut, les positions de pointage P, ont des anomalies et des noeuds ascendants variables, on peut alors reconstituer une image I dont le paramètre de variation de la position de pointage P, est le nœud ascendant, alors même que les séquences prescrites P, ont été acquises dans un ordre différent, notOamment par balayage de chaque orbite.
La valeur de pixel en chaque ordonnée et en chaque abscisse de l’image I représente le niveau À de la densité spectrale de puissance relevée DSP, mesurée à la fréquence f lors d’un balayage B(t). Les densités spectrales DSP sont donc disposées verticalement dans l’image I, avec un spectre par abscisse de l’image I. Le niveau À de chaque densité spectrale de puissance relevée DSP est représentée par une couleur, typiquement selon une longueur d’onde décroissante du bleu au rouge, ou un niveau de luminosité ou un niveau de gris, qui varie d’une manière univoque en fonction du niveau À, par exemple d’une manière monotone, croissante ou décroissante. Par exemple, le niveau À est exprimé en dBm aux figures 4 et 5.
De façon alternative à une image où la valeur de pixel représente la fonction de DSP, on peut aussi faire une projection de la surface de la courbe de niveau À, fonction de la fréquence et de la position de pointage P,. Dans ce cas, le niveau À est représenté selon un troisième axe de côte perpendiculaire aux axes des abscisses et ordonnées, ce qui fournit une surface en trois dimensions que l’on projette ensuite en deux dimensions. On peut faire une projection isométrique de la surface dans un quadrillage, selon une succession de lignes de coupe disposées avec un décalage. On peut aussi constituer une image en visualisant les plans de coupe qu’on fait avancer ou reculer, mais on ne peut pas tout représenter en une seule image. D’autres techniques de constitutions d’image existent dans l’état de l’art et sont applicables.
Les valeurs de niveau À élevées, bien au-dessus du niveau de bruit de fond du ciel, révèlent la présence de satellites actifs. La formation des images I constitue donc une réalisation préférée pour représenter la cartographie, car elle permet de facilement visualiser l’usage du spectre radiofréquence par les objets célestes artificiels. Typiquement, lorsque la constitution de l’image est un processus très rapide, il n’est pas nécessaire d’en enregistrer le résultat, mais dans les réalisations préférées, on enregistre un historique des dernières images I affichées.
- Etape E6 : Traitements optionnels de la cartographie
L’exploitation et le traitement des cartographies dans le but d’identifier des satellites peut être faite par un opérateur humain, mais peut aussi être en grande partie automatisée. Ces traitements optionnels de la cartographie brute DSb peuvent être effectués par un ou plusieurs modules 54 de traitement de la cartographie à la figure 2, ou sinon par le même calculateur 3. Parmi ces traitements, on peut effectuer : une comparaison avec les déclarations d’opérateurs des positions et plans de fréquence, un traitement différentiel entre cartographies successives (voir ci-dessous) pour identifier les changements.
Il peut être prévu un envoi au système de suivi pour affiner la position orbitale précise de chaque portion de spectre et ainsi séparer les objets colocalisés, c’est-à-dire dont les positions orbitales sont suffisamment proches pour être captées dans le lobe principal d’une unique mesure de spectre.
Cartographies successives et traitement différentiel
Dans un mode de réalisation, dit à cartographies consécutives et décrit ci-dessous en référence aux figures 1 à 6, l’antenne 2, le calculateur 3, le dispositif 4 de pilotage et le dispositif 5 d’enregistrement sont aptes à enregistrer des historiques C1 , C2 (ou plus) de la cartographie puis d’en déduire plusieurs images 11 , I2 pour deux balayages des mêmes séquences de positions de pointage prescrites Pi(ti). L’image I2 extraite de la cartographie C2 est réalisée dans un intervalle de temps d’acquisition, qui est postérieur, par exemple de plusieurs heures ou quelques jours ainsi que représenté aux figures 4 et 5, par rapport à l’intervalle de temps d’acquisition de l’image 11 extraite de la cartographie C1. En principe, lorsque l’ensemble des séquences de balayage était visible au-dessus de l’élévation minimale depuis la position géographique O de la station, les acquisitions consécutives sont par définition espacées du temps de revisite R. Le cumul d’acquisitions issues de cycles consécutifs à une même position permet de moyenner les effets du bruit au-delà de la profondeur de moyennage.
Suivant un perfectionnement de ce mode de réalisation, dit à cartographie différentielle, décrit ci-dessous en référence à la figure 6, l’antenne 2, le calculateur 3, le dispositif 4 de pilotage sont aptes à calculer au moins une cartographie différentielle CD entre deux enregistrements historiques distincts C1 , C2 de la cartographie, aux mêmes positions de pointage prescrites Pi. On en déduit une image différentielle ID représentée à la figure 6 et qui est égale à l’image I2 à la figure 5, à laquelle est soustraite l’image 11 à la figure 4 par soustraction des niveaux de puissance À, c’est-à-dire des valeurs de pixels entre elles, pour des abscisses et ordonnées identiques, c’est-à-dire aux fréquences et positions de pointage P, identiques. Ce traitement différentiel des cartographies consécutives C1 , C2 permet de détecter à coup sûr les événements de changement d’usage du spectre de durée supérieure au temps de revisite R (mise à poste ou hors service, changement de plan de fréquence, de position, etc...). Par exemple, l’image 11 de la figure 4 a été réalisée le 1er avril 2021 , et l’image I2 de la figure 5 a été réalisée le 5 avril 2021. L’image différentielle ID à la figure 6 montre trois apparitions et disparitions ID1 , ID2, ID3 de raies dans la densité spectrale de puissance DSP de satellites situés en la position P6, dont on peut déterminer les fréquences f, et une apparition et disparition ID4 d’une raie spectrale d’un satellite situé en la position P8, dont on peut déterminer la fréquence f.
Discrimination de pics et rapprochement avec les déclarations d’opérateurs
Dans un mode de réalisation, le calculateur 3 et le dispositif 5 d’enregistrement sont configurées pour discriminer les raies spatiales de la densité spectrale de puissance DSP par des algorithmes de détection de pic, c’est-à-dire de maximum local. Les pics avec leur niveau À peuvent être utilisés pour résumer le contenu de la courbe longitudinale de niveau À de densité spectrale de puissance, ce qui est illustré à la figure 9.
Les pics à une fréquence f sont la meilleure estimation de la position d’un satellite émettant du signal à cette fréquence f. On peut tenter de rapprocher ces résultats des déclarations fournies par les opérateurs afin de nommer les satellites découverts et indiquer ceux qui ne sont pas déclarés. Convolution inverse
Dans un mode de réalisation, dit à recombinaison de densités spectrales, le calculateur 3 et le dispositif 5 d’enregistrement sont aptes à retraiter la cartographie en transformant la densité spectrale de puissance brute DSb( Pi, ti,f ) en une densité spectrale de puissance affinée DSa par application d’un traitement de convolution inverse visant à réduire l’effet induit par le diagramme de rayonnement de l’antenne 2. Plusieurs méthodes sont possibles à cet effet. Ainsi, dans une mise en oeuvre non limitative décrite ci-après, le calculateur 3 va procéder par combinaison linéaire de plusieurs densités spectrales de puissances brutes DSb(Pi, ti,f ) successives. Ainsi, la densité spectrale de puissance affinée DSA ou DSa(Pi,ti,f) est une combinaison linéaire des densités spectrales de puissances brutes DSb(Pi+k,ti+k,f ) prises aux positions de pointage P, des instants ti+k, où k prend les valeurs allant de -m à +m.
On a vu à l’étape E2 que l’antenne pointée à un axe 21 de visée p collecte le signal d’un satellite S émettant depuis la direction d’angle y selon une puissance reçue proportionnelle à Pe.D(y-p, f), où Pe est la PIRE du satellite et D le diagramme de l’antenne 2 de la station. Selon cette formule, le diagramme d’antenne a pour effet d’étaler la contribution du satellite sur la largeur du lobe principale 0 et de créer des réponses qui sont des artefacts aux positions des lobes secondaires. Lorsqu’on a affaire à un groupe de satellites Sj de PIRE Pj pour j variant de 1 à P, on reçoit une puissance qui est la somme des contributions de chaque satellite Sj, soit DSb(p,f)= S Pj.D(yj- ,f). Au sens mathématique des distributions, on peut représenter le spectre du signal issu du ciel à une fréquence f comme une série de raies de Diracs, positionnées aux axes de visée yj et dont l’amplitude est la PIRE Pj. La distribution P = S Pj.S(y-yj), où 8 est le symbole de Kronecker désignant un Dirac à la position 0, illustrée à la figure 7, est la cartographie parfaite qu’on cherche à mesurer, celle qu’obtiendrait une antenne de lobe principal infiniment fin et à lobes secondaires infiniment bas. La figure 7 représente un exemple d’une telle distribution P(B,f) composée de Diracs représentant les satellites observés par l’antenne 2 qui balaye l’arc géostationnaire, aux positions angulaires p=yj (exprimé en longitude équivalente) en abscisse et la puissance en dBm en ordonnée. La puissance reçue par l’antenne 2 à la fréquence f est alors proportionnelle à l’intégrale :
Figure imgf000027_0001
où 8j(y) est l’impulsion de Dirac à l’axe de visée yj. Formellement, l’intégrale calcule une convolution à la position p de la cartographie idéale formée de raies de Dirac avec une réponse impulsionnelle qui est le diagramme de rayonnement de l’antenne 2, retourné de 180° . La figure 8 représente un exemple de diagramme de rayonnement D(B,f) de l’antenne 2, pour f=3,878 GHz, avec un gain exprimé en dBi en ordonnée en fonction de l’écart de l’angle B par rapport à l’axe 21 de visée en abscisse, cet écart étant appelé dépointage d’axe de visée à la figure 8. La figure 9 représente un exemple de densité spectrale de puissance DSb(B,f) reçue par l’antenne 2 qui balaye l’arc géostationnaire, à la fréquence f=3,878 GHz, avec la puissance exprimée en dBm en ordonnée en fonction de l’axe de visée B (exprimé en longitude équivalente) en abscisse. Elle illustre l’effet de la convolution par le diagramme de la figure 8 sur la courbe de puissance reçue en fonction de l’angle de visée P, à comparer avec la courbe de puissance émise en figure 7. L’effet de la convolution est aussi parfaitement visible aux figures 4 et 5 où l’on aperçoit que chaque satellite se signale par une tâche large de 4° comptant plusieurs niveaux de gris s’atténuant sur les bords et correspondant à chaque lobe secondaire de l’antenne 2.
La convolution de l’équation ci-dessus s’applique avec une variable d’intégration qui est l’angle de visée des satellites et non pas la position de pointage Pi. Lorsque tous les satellites collectés lors du balayage peuvent être considérés comme étant sur la courbe de balayage B(t), alors la convolution qui est nativement à deux dimensions tout comme les angles de visée, peut s’apparenter à une convolution à une seule dimension, effectuée le long de la courbe de balayage B(t). On considère que ceci est vrai dans le cas du balayage d’une seule orbite, en faisant varier la seule anomalie, lorsque les satellites collectés dans les sous-bandes considérées Wx sont nécessairement sur cette même orbite car obéissent à la règlementation internationale de l’ITU prévenant les interférences. Dans ce cas, on détermine la réponse impulsionnelle d’une autre convolution monodimensionnelle, dite convolution inverse, qui permet, en quelque sorte, de neutraliser les effets de la convolution par le diagramme d’antenne, c’est-à-dire que la combinaison des deux convolutions s’approche de la convolution par un Dirac et présente un lobe principal plus fin ainsi que des lobes secondaires significativement réduits.
Lorsque l’orbite balayée est l’arc géostationnaire (ceinture de Clarke), l’angle de visée y d’une position de pointage P, est fixe, il y a donc une relation univoque entre les deux. L’instant t auquel l’antenne 2 a fait la collecte à l’axe de visée p n’importe pas. Les impulsions D(y-p) en fonction de la variable y se translatent quand l’angle de visée p de l’antenne varie mais se déforment très peu. La convolution inverse donne donc d’excellents Tl résultats comme montré à la figure 10. Quand l’orbite balayée est autre que la ceinture de Clarke, celle-ci se déplace dans le ciel en fonction de la rotation de la terre et les positions de pointage P, bougent le long l’orbite en fonction de la période de révolution Pr. Avant de procéder à la convolution inverse, il convient donc de replacer les mesures de DSb faites à l’angle de visée p(Ps,t) à l’angle de visée que la position de pointage P, correspondante présente à une date de référence unique to, c’est-à-dire p(Ps,to). Cette correction introduit toutefois quelques distorsions vis à vis d’un relevé qui serait le parfait résultat d’une convolution monodimensionnelle instantanée entre la distribution des satellites et le diagramme d’antenne, le long de de la courbe de balayage B(t). La convolution inverse sera d’autant plus performante qu’on balaye une orbite élevée, donc de période Pr faible.
Dans un mode de réalisation dit à convolution spatiale inverse, qui est un sous-mode de la recombinaison de densités spectrales, décrit ci-dessous en référence aux figures 3 et 7 à 10, le calculateur 3 est apte à calculer au cours de l’étape E6 la densité spectrale de puissance affinée DSa(B,f) par convolution inverse de la densité spectrale de puissance brute DSb(B,f) du signal capté par l’antenne 2 à une fréquence f dans une sous-bande Wx, la convolution inverse s’effectuant selon la variable d’angle de visée B. La réponse impulsionnelle de la convolution inverse est calculée à partir du diagramme D(B,f) de rayonnement de l’antenne 2 qui a été mesuré au préalable à la même fréquence f et a été tabulé dans la mémoire 51 du calculateur 3, au cours de l’étape E0 du procédé.
Dans la pratique, l’amélioration de la réponse par cette opération de convolution inverse est significative, avec des artéfacts de lobes secondaires qui disparaissent et un lobe principal dont la largeur est presque réduite de moitié. On voit à la Figure 10 que les artefacts qui étalaient la réponse d’une position orbitale sur 4° aux figures 4 et 5 ont nettement diminué et valent moins de 1 ° . On améliore ainsi le pouvoir de discrimination spatial en corrigeant des défauts introduits par le diagramme de rayonnement de l’antenne. Ceci réduit significativement le taux de fausse alarme et de non détection d’objets. L’application de la recherche de pics à la densité spectrale de puissance affinée DSa plutôt qu’à la densité spectrale de puissance brute DSb permet d’améliorer substantiellement son apport. Ce résultat est illustré à la figure 11 où sont indiqués par des points des satellites dont la position détectée est en abscisse et qui émettent un signal aux fréquences indiquées en ordonnée. Les petits écarts de longitude sur l’arc géo permettent d’affirmer qu’il s’agit à coup sûr de satellites différents mais colocalisés, ce qu’il était impossible de détecter aux figures 4 ou 5.
Etape E7 (optionnelle) : Mise en suivi. La cartographie C peut être retraitée par mise en suivi, ce qui permet d’améliorer la résolution spatiale. Grâce au calcul de corrélation des signaux captés par des antennes distantes les unes des autres, le système de suivi orbital permet une résolution très précise des orbites, qui approche la résolution de Diracs parfaits puisque des précisions de l’ordre de 150 mètres à l’arc géostationnaire sont possibles.
Une fois les raies spectrales identifiées dans la cartographie C par le dispositif 1 suivant l’invention, les caractéristiques individuelles de ces raies spectrales peuvent être transmises au système de suivi orbital connu qui pourra effectuer de nouvelles acquisitions distantes, permettant ainsi d’en séparer tous les objets célestes par des traitements basés sur la corrélation. On peut alors suivre individuellement ces objets célestes par des techniques nécessitant plus de puissance de calcul ou de durée d’acquisition, notamment par la corrélation d’acquisitions distantes utilisée dans le système de suivi orbital connu. La séparation spatiale des objets détectés à une position de pointage P, par le dispositif suivant l’invention peut ainsi être effectuée par le système de suivi orbital. La technique de détermination d’orbites par le système de suivi orbital peut être utilisée pour séparer les objets détectés à une position de pointage P, donnée grâce à une acquisition à cette seule position de pointage P,, ce qui réduit au minimum la durée du processus de détermination d’orbite. Le système de suivi orbital connu effectuera la corrélation d’acquisitions distantes faites aux seules positions orbitales mises en suivi.
Le système de suivi orbital et le dispositif de relevé d’activité radiofréquence suivant l’invention peuvent utiliser des antennes 2 identiques, voire partager le même parc d’antennes. En effet, la contrainte d’un rapport signal à bruit suffisant pour détecter le signal issu des satellites est la même pour ces deux systèmes. La cartographie établie par le système de relevé de l’activité radiofréquence fournit une résolution spatiale qui, une fois raffinée par un ou plusieurs procédés de l’étape E6, permet de localiser l’émission dans un cône de largeur inférieure à la largeur de lobe principal de l’antenne. La mise en suivi est donc immédiate, le système de suivi orbital se contentant de collecter cette seule position de pointage P, depuis ses sites distants, sans avoir à n’effectuer aucun balayage, contrairement au système de relevé d’activité radiofréquence. L’acquisition par le système de suivi est donc optimisée en temps. Finalement, la cartographie remplace avantageusement l’utilisation des déclarations d’opérateurs.
La combinaison des deux systèmes milite pour le choix, suivant un mode de réalisation de l’invention de petites antennes 2. Le dispositif est alors moins cher, plus rapide et au final plus précis qu’une seule antenne grâce au retraitement par le système de suivi orbital. Bien entendu, les modes de réalisation, caractéristiques, possibilités et exemples décrits ci-dessus peuvent être combinés l’un avec l’autre ou être sélectionnés indépendamment l’un de l’autre. L’invention permet ainsi une surveillance de l’espace par l’observation de l’usage du spectre radiofréquence et permet de cartographier la situation spectrale dans l’espace. Le procédé et le dispositif 1 de relevé suivant l’invention permettent une détection de tout objet actif émetteur en orbite terrestre sans utiliser d’information extrinsèque des opérateurs. L’invention permet de suivre l’activité de satellites, aussi bien LEO, MEO ou géostationnaires. . L’invention permet de déterminer le cycle de vie des objets spatiaux, c’est-à-dire l’évolution de leur utilisation du spectre fréquentiel. En termes de performances du dispositif, il est possible, si besoin, d’améliorer la résolution spatiale (obtenue par un capteur composé d’une unique antenne 2 de mesure) par application de traitements complémentaires, notamment ceux utilisant la convolution inverse. Les positions orbitales émettant du signal peuvent être mises en suivi par un système utilisant les mêmes antennes
2 sur des sites distants. Le système de cartographie décrit par l’invention peut se substituer à l’utilisation des déclarations d’opérateurs, rendant l’ensemble des deux services autonomes sans réduire la performance du système de suivi orbital connu.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de relevé d’activité radiofréquence d’au moins un satellite artificiel, qui se trouve en orbite terrestre et qui est émetteur d’un signal radiofréquence, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes : pointage (E1 ), par un dispositif (4) de contrôle d’antenne, d’au moins une antenne (2) pour déplacer un axe (21 ) de visée de l’antenne (2) vers au moins une séquence de positions de pointage prescrites (Pi), successives et distinctes l’une de l’autre, l’antenne (2) étant en forme de réflecteur, dont un bord extérieur (23) délimite un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 6 mètres, et pour chaque position (P,) de pointage prescrite : collecte (E2) du signal radiofréquence (X(t)) par l’antenne (2) et conversion (E2) du signal radiofréquence (X(t)) par une chaîne radiofréquence (20) en un signal numérique (X(n)), calcul (E3) par un calculateur (3) d’au moins un relevé de densités spectrales de puissance (DSP) brutes sur au moins une sous-bande (Wx) de fréquence de réception à partir du signal numérique (X(n)), retraitement (E6) du relevé de densités spectrales de puissance brutes (DSb) en un relevé de densités spectrales de puissance affinées (DSa) par application d’un traitement de convolution inverse du diagramme (D(B, f)) de rayonnement de l’antenne (2) dans la sous-bande (Wx) de fréquence de réception par le calculateur (3).
2. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé en ce que l’antenne (2) a un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 4 mètres.
3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l’antenne (2) a un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 2,50 mètres.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’antenne (2) a un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 2,10 mètres.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le retraitement (E6) du relevé de densités spectrales de puissance brutes (DSb) comprend le traitement de convolution inverse du diagramme (D(B, f)) de rayonnement de l’antenne (2) à une fréquence (f) dans la sous-bande (Wx) de fréquence de réception, le calcul de la réponse impulsionnelle de la convolution inverse à partir du diagramme (D(B,f)) de rayonnement de l’antenne (2) qui a été mesuré au préalable à la même fréquence (f) et qui a été enregistré (E0) au préalable dans une mémoire (51 ) du calculateur (3).
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la convolution inverse est effectuée pour une combinaison linéaire de plusieurs densités spectrales de puissances brutes (DSb(Pj,tj,f )) successives pour les positions (P,) de pointage prescrites, successives.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les axes de visée (21 ) des positions de pointage prescrites, successives (P,, PM ) sont écartés d’un angle inférieur à une largeur (0) d’un lobe principal de rayonnement de l’antenne (2), dans l’intervalle de temps où l’antenne (2) passe de la position de pointage prescrite (P,) à la position de pointage prescrite (Pi+i) suivante dans la séquence.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le relevé de densités spectrales (DSP) de puissance brutes s’effectue par une acquisition du signal radiofréquence (X(t)), qui est collecté par l’antenne (2) et qui est numérisé par la chaîne radiofréquence (20) selon des fenêtres disjointes d’une durée minimale prédéfinie (D).
9. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce que pour mesurer la relevé de densités spectrales de puissance (DSP) brutes à chaque position (Pi) de pointage prescrite, le calculateur (3) pour chaque fenêtre (Di) de durée (F) du signal numérique (X(n)) calcule la transformée de Fourier puis élève son module au carré et divise le tout par la durée de la fenêtre (Di).
10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la vitesse moyenne de balayage de l’antenne (2) relativement à la vitesse de poursuite de la position (Pi) de pointage dans la séquence est inférieure à 0/D, où 0 est la largeur du lobe principal de rayonnement de l’antenne (2).
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant le calcul, par le calculateur (3), et un enregistrement, par le calculateur (3), d’une cartographie (C) constituée par les relevés de densités spectrales de puissance (DSP, DSa) affinées en fonction de la fréquence et de la position de pointage prescrite (Pi) .
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on extrait de la cartographie (C) par le calculateur (3) une image qui dispose côte à côte, les niveaux (À) des densités spectrales de puissance (DSP) affinées, relevées successivement aux positions (Pi) de pointage prescrites, dans la au moins une sous-bande (Wx) de fréquence de réception, la position orbitale (Pi) de pointage et la fréquence constituant, au choix, les axes d’abscisse et d’ordonnée de l’image.
13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le niveau (À) de chaque densité spectrale de puissance (DSP) affinée est représenté par une valeur de pixel, notamment la couleur ou un niveau de luminosité ou un niveau de gris.
14. Dispositif (1 ) de relevé d’activité radiofréquence d’au moins un satellite artificiel, qui est émetteur d’un signal radiofréquence, caractérisé en ce que le dispositif comporte au moins une antenne (2) de réception pointée selon un axe (21 ) de visée et qui est apte à collecter le signal radiofréquence (X(t)), l’antenne (2) étant en forme de réflecteur, dont un bord extérieur (23) délimite un diamètre d’ouverture maximal, qui est inférieur ou égal à 6 mètres, une unité (4) de contrôle de l’antenne (2) pour pointer l’axe (21 ) de visée de l’antenne (2) vers au moins une séquence de positions de pointage prescrites (P,), successives et distinctes les unes des autres, une chaîne (20) de réception radiofréquence et de conversion numérique, qui acquiert le signal radiofréquence (X(t)) en un signal numérique (X(n)) sur au moins une sous- bande (Wx) de fréquence de réception, un calculateur (3) apte à calculer, à partir du signal numérique (X(n)), au moins un relevé de densités spectrales de puissance (DSP) sur la sous-bande (Wx) de fréquence de réception, et à retraiter (E6) le relevé de densités spectrales de puissance brutes (DSb) en un relevé de densités spectrales de puissance affinées (DSa) par application d’un traitement de convolution inverse du diagramme (D(B, f)) de rayonnement de l’antenne (2) dans la sous- bande (Wx) de fréquence de réception par le calculateur (3).
15. Programme d’ordinateur pour la mise en oeuvre du procédé de relevé d’activité radiofréquence d’au moins un satellite artificiel suivant l’une quelconque des revendications 1 à 13, comportant des instructions de code pour l’exécution des étapes de pointage, collecte, conversion, calcul et retraitement, lorsque le programme d’ordinateur est exécuté sur un ou plusieurs calculateurs (3).
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