CA2211340C - Procede de reduction autonome des seuils d'acquisition et de poursuite des codes d'etalement de spectre recus en orbite - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de réduction autonome des seuils d'acquisition et de poursuite des codes d'étalement de spectre reçus en orbite par un récepteur accédant à un navigateur orbital interne ou externe audit récepteur, d'une boucle de phase et une boucle de code. La boucle de code, chargée de l a poursuite des codes pseudoaléatoires est "poussée" par l'aide de vitesse fine, et rattrape l'erreur entre la vitesse réelle et la vitesse calculée. La boucle de code, chargée de l'acquisition des codes pseudoaléatoires, est également "poussée" par l'aide de la vitesse fin e, la recherche de la phase du code reçu s'effectuant autour d'une prédiction de phase entretenue par l'aide de vitesse fine provenant du navigateur orbital.

Description

PROCEDE DE REDUCTION AUTONOME DES SEUILS
D'ACQUISITION ET DE POURSUITE DES CODES D'ETALEMENT DE
i SPECTRE RECUS EN ORBITE
DESCRIPTION
Domaine technigue L'invention concerne un procédé de l0 réduction autonome des seuils d'acquisition et de poursuite des codes d'étalement de spectre reçus en orbite.
Etat de la technique antérieure L'invention combine trois éléments de base .
- un récepteur de signaux en spectre étalé ;
- un filtre d'orbitographie embarqué ;
- une technique de réduction de seuil par aide prëcise en vitesse radiale.
On va considérer ci-dessous chacun de ces trois éléments.
~ Le récepteur peut être n'importe quel équipement recevant des signaux en spectre étalé, à
bord d'un satellite (références [1], [2], [5)). Ces signaux peuvent être émis par d'autres satellites en orbite ou depuis des points fixes au sol. A titre d'exemple, ces récepteur peuvent être du type .
- récepteur GPS, GLONASS, GNSS1, GNSS2 ;
- transpondeur en spectre étalé ;
- récepteur DORIS NG.

2 Les constellations de satellites GPS et , GLONASS sont respectivement décrites dans les références [ 3 ] et ( 4 ] .
Le GNSS1 désigne les compléments géostationnaires à GPS et/ou GLONASS utilisant les charges utiles de navigation des satellites INMARSAT 3.
Le GNSS2 désigne la future constellation "civile" de satellites de navigation.
~ DORIS NG désigne un projet de système mondial de radionavigation et de radiolocalisation spatiale, basé notamment sur l'utilisation de signaux en spectre étalé transmis par des balises au sol, et reçus par des satellites en orbite.
~ Le filtre d'orbitographie est un traitement numérique, localisé dans le récepteur, par exemple. I1 utilise les mesures brutes faites par ces derniers, c'est-à-dire des mesures de pseudodistance et de pseudovitesse relatives aux émetteurs de signaux en spectre étalé (au sol ou en orbite). Ces mesures sont traitées pour déterminer de façon autonome les paramètres orbitaux et/ou la position et la vitesse du satellite porteur. La définition de ces mesures est donnée dans la référence [5]. Le filtre peut être des types suivants, cités à titre d'exemple .
- filtre de Kalman (cf. référence j6]) ;
- filtre à moindres carrés simples ;
- filtre à moindres carrés récursifs.
Ce filtre est également capable de ' déterminer les paramètres suivants .

3 Di - Distance entre le satellite et .
l'metteur n i.

~Ti - Ecart de temps entre l'horloge du rcepteur et l' horlogede l'metteur n i.

Vi = Di - Vitesse radiale entre et le satellite l'metteur n i.

- Drive relative entre l'horloge de l'metteur n i et l'horloge du rcepteur.

Le filtre peut donc estimer les pseudodis tances PDi et les pseudovitess es PVi.

PDi - Di + C.~Ti PVi - Vi + C.Ofi Les grandeurs citées peuvent être estimées méme si les signaux provenant de l'émetteur n° i ne sont pas traités par le récepteur et le filtre de navigation associé, pourvu que la position, la vitesse et les coefficients d'horloge dudit émetteur puissent étre estimés ou connus.
Le navigateur orbital estime ces pseudodistances et ces pseudovitesses avec les l0 précisions 8PD et SPV.
Le navigateur orbital peut recevoir des télécommandes de description de manoeuvre du satellite porteur. Ces manoeuvres peuvent étre décrites par les paramètres OVx(to) ; OVy(to) et ~Vz(t0), où les OVi représentent les composantes de l'impulsion en vitesse prévue à la date to.
Les manoeuvres sont décrites avec une précision notée BVx, BVy, 8Vz pour les trois axes. La précision globale de la description de la manoeuvre est $V, avec

4 sv = svX + sv~ + svZ
~ La technique de réduction de seuil par aide précise en vitesse radiale (ou pseudovitesse radiale) s'applique au cas de récepteurs munis d'une (ou plusieurs) boucles) de phase couplées) avec une (ou plusieurs) boucles) de code. On suppose que ces boucles sont réalisées en technologie numérique.
Lorsque le signal est reçu avec un rapport C/No inférieur au seuil d'accrochage classique en mode d'acquisition aidée, la boucle de porteuse est ouverte, et l'oscillateur commandé numériquement (OCN) est piloté par une prédiction externe de vitesse (ou pseudovitesse) radiale.
L'accrochage classique en mode d'acquisition aidée est illustré dans la référence [1].
Cette prédiction de vitesse doit être fine et provient d'un capteur différent du récepteur. Par exemple, ledit capteur peut étre typiquement une centrale inertielle.
Une telle technique est utilisée classiquement pour la poursuite des signaux GPS à
faible rapport C/No équivalent, reçus par des récepteurs GPS militaires (code C/A et code P) montés sur avions d'arme munis de centrales inertielles. Cette technique est appelée "code seulement", car seul le code pseudoaléatoire est poursuivi jusqu'à des seuils très bas.
L'invention a pour objet un procédé de réduction autonome des seuils d'acquisition et de , poursuite des codes d'étalement de spectre reçus en orbite.

Exposé de l'invention L'invention concerne un procédé de réduction autonome des seuils d'acquisition et de

5 poursuite des codes d'étalement de spectre reçus en orbite par un récepteur accédant à un navigateur orbital interne ou externe audit récepteur, caractérisé
en ce que le récepteur comportant une boucle de phase et une boucle de code, la boucle de code, chargée de la lo poursuite des codes pseudoaléatoires, est "poussée" par l'aide de vitesse, et rattrape l'erreur entre la pseudovitesse réelle et la pseudovitesse calculée, et en ce que la boucle de code, chargée de l'acquisition des codes pseudoaléatoires, est également "poussée" par l'aide de vitesse fine, la recherche de la phase du code reçu s'effectuant autour d'une prédiction de phase entretenue par cette aide de vitesse.
Le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes .
- le récepteur reçoit les aides nécessaires à l'acquisition aidée classique, qui permettent au récepteur d'accrocher tous les signaux avec un rapport C/No tel que C/No>(C/No)a, (C/No)a étant le seuil d'accrochage en mode d'acquisition aidée classique ;
- on réduit les seuils des codes pseudoaléatoires jusqu'à la valeur (C/No)avf~ (C/No)avf étant le seuil d'accrochage des codes pseudoaléatoires en mode d'acquisition aidée par une aide fine en vitesse, l'aide de vitesse fine provenant du navigateur orbital.
Ledit procédé peut comporter une étape préliminaire pendant laquelle le récepteur démarre à
froid sans aucune aide ou message externe ou interne, et accroche tous les signaux avec un rapport C/No tel

6 que . C/No>_(C/No)na, (C/No)na étant le seuil d'accrochage en mode non aidé.
En cas de manoeuvre dédiée au contrôle d'orbite du satellite, le navigateur orbital reçoit la description desdites manoeuvres, et met à jour l'aide de vitesse fournie par le navigateur. Pour que l'accrochage des codes pseudoaléatoires reçus avec des faibles rapports C/No soit toujours possible en cas de manoeuvre, la conditionsuivante doit être respectée, au premier ordre .
~BPV + $V~ < Bei X C
fi où 8PV est l'incertitude sur la prédiction sur la pseudovitesse fournie par le navigateur, en absence de manoeuvre ; où BFI est la bande de prédétection, C la vitesse de la lumière et fi la fréquence du signal porteuse transmis par l'émetteur n° i.
Lorsqu'un code pseudoaléatoire est poursuivi avec un rapport C/No tel que .
~C / NO~avf < C / No < ~C / No~~, les mises à jour des paramètres caractéristiques des émetteurs sont communiquées au récepteur à l'aide de télécommandes externes.
Le procédé de l'invention consiste à
réduire les seuils d'acquisition et de poursuite des codes d'étalement de spectre, par des récepteurs pour satellites, munis d'un filtre d'orbitographie embarqué.
Cette réduction de seuil est réalisée de façon autonome par lesdits rëcepteurs utilisant l'invention. Cette ' réduction de seuil peut être spectaculaire.

7 PCT/FR96/01870 Brève description des dessins - La figure 1 illustre un schéma synoptique d'un récepteur à seuil réduit par aide de vitesse fine externe ;
- la figure 2 illustre un schéma synoptique d'un récepteur intégrant le dispositif de l'invention ;
- la figure 3 illustre une variante de l'invention.
Exposé détaillé de modes de réalisation La figure 1 illustre un récepteur en spectre étalé à seuil réduit par aide de vitesse fine externe, seule l'architecture du traitement numérique étant représentée.
Ce récepteur 10 comprend un module RF 11 relié à une antenne 12 dont le signal de sortie est entré sur un corrélateur 13 lui-méme relié, en sortie, à un discriminateur 14 de la boucle de phase suivi d'un filtre de boucle 15, et d'un co~~ uta;.eu: 16. Un module OCN (oscillateur commandé numériquement) porteuse 17 transmet une porteuse locale Fi en phase e~ en quadrature au discriminateur 14, et est relié à une autre borne du commutateur 16. Le commutateur 16 reçoit également un signal en provenance d'un capteur de vitesse externe 18 (centrale inertielle par exemple).
Le module OCN porteuse envoie un signal de vitesse OCN porteuse sur une première entrée d'un sommateur 19 relié en sortie à un module OCN code 20, et à un générateur de code local 21. Ce générateur 21 est relié d'une part au corrélateur 13 et lui délivre le code local en phase, et d'autre part à un discriminateur de la boucle de code 22 et lui délivre le code local en avance et le code local en retard, un

8 filtre de boucle G(p) 23 étant disposé entre la sortie de ce discriminateur 22 et une seconde entrée du , sommateur 19.
On a ainsi une boucle de phase 33 et une boucle de code 34.
D~",..r."~ a-.., ~ La boucle de code, chargée de la poursuite des codes pseudoaléatoires, est "poussée" par l'aide de vitesse. En d'autres termes, l'oscillateur OCN de cette boucle fait varier la phase du code local avec une vitesse égale à l'aide de la prédiction externe de vitesse. La boucle de code ainsi "poussée" rattrape l'erreur entre la vitesse réelle et la vitesse calculée.
L'ordre de cette boucle doit être suffisant pour maintenir l'oscillateur OCN asservi, ce qui permet de produire des mesures de pseudodistance.
Acqui si ti on La boucle de code, chargée de l'acquisition des codes pseudoaléatoires, est également "poussée" par l'aide de vitesse fine. La recherche de la phase du code reçu s'effectue autour d'une prédiction de phase (prépositionnement distance) entretenue par l'aide de vitesse externe.
La zone de recherche de la phase du code "
reçue est plus petite que dans le cas d'une acquisition en mode aidé classique. I1 en est de même pour la zone ' de recherche de la fréquence de la porteuse reçue. En effet, le principe décrit fonctionne si l'incertitude

9 de la prédiction Doppler AFD est inférieure à la bande de prédétection BpI. ' L'incertitude 8PV sur la prédiction de pseudovitesse doit donc respecter les relations suivantes .
OFD < BFI soit : 8PV < B~'I x C
où C est la vitesse de la lumière et fi la fréquence du signal porteuse transmis par l'émetteur n° i.
Ainsi, les zones d'incertitude en Doppler et en distance étant plus faibles que dans les cas classiques, la recherche d'énergie peut s'effectuer avec une vitesse de balayage du code local beaucoup plus lente que dans ces cas classiques, pour une mème durée de recherche notée T. Le seuil d'acquisition s'en trouve ainsi réduit. Des techniques de réfection des faux accrochages doivent être mises en oeuvre en cas de réception simultanée de plusieurs codes pseudoaléatoires, avec des C/No disparates.
On définit les rapports C/No suivants .
(C/No)na - Seuil d'accrochage en mode aidé.
(C/No)a - Seuil d'accrochage en mode d'acquisition aidée classique (C/No)avf - Seuil d'accrochage des codes pseudo-aléatoires en mode d'acquisition aidée par une aide fine de vitesse La définition des seuils (C/No)na et (C/No)a est détaillée en référence [1].
he seuil (C/No)avf est une fonction de plusieurs paramètres.

(C/No) avf - g (T:BPV;BFI) L'invention se caractérise par le procédé , suivant, mis en oeuvre dans un récepteur en spectre étalé pour satellite, muni d'un navigateur orbital.

Etape 1 (facultative)

10 Ze récepteur démarre à froid (sans aucune aide ou message externe ou interne). I1 accroche tous les signaux avec un rapport C/No tel que .
C/No _> (C/No)na Les premiers signaux accrochés peuvent éventuellement permettre au récepteur de .
- recevoir des messages permettant de déterminer la position et/ou la vitesse et/ou les coefficients d'horloge des émetteurs n° i ;
- faire converger le navigateur orbital, à
l'aide des premières mesures de~ pseudodistance et de pseudovitesse réalisées.
Cette première étape est nécessaire pour les missions spatiales entièrement autonomes.
Etape 2 Le récepteur reçoit des aides nécessaires à
l'acquisition aidée classique. Ces aides sont peu ' précises (grossières) et du type .
1) Date et temps de l'horloge du récepteur.

11 2) Positions/vitesses (ou, éventuellement, paramètres orbitaux) des émetteurs.
3) Position/vitesse ou paramètres orbitaux du satellite porteur.
Ces aides peuvent provenir en partie ou totalement de l'étape 1. Dans ce cas, elles sont internes au récepteur (exemple . les positions/vitesses des émetteurs peuvent être transmises par lesdits lo émetteurs) la fonction d'autonomie est conservée.
Dans le cas où tout ou partie de ces aides grossières est communiqué au récepteur par le biais de télécommandes externes, celui-ci n'est plus autonome.
Dans le cas où l'étape 1 n'est pas réalisée, ces aides sont obligâtoirement externes au récepteur.
Ces aides grossières permettent au récepteur d'accrocher tous les signaux avec un rapport C/No tel que .
C/No>(C/No)a Le nombre de mesures de pseudovitesse et de pseudodistance augmente alors, par rapport au cas de l'étape 1, car .
(C/No)a<(C/No)na~
Le nombre de ces mesures est supposé
suffisant pour faire converger le navigateur orbital fournissant les paramètres orbitaux du satellite porteur avec une précision meilleure que dans l'étape 1.

12 Etape 3 L'étape 2 étant réalisée, on suppose que la précision des paramètres de sortie du navigateur Q
orbital et des paramètres caractéristiques des émetteurs est compatible avec la finesse de l'aide de vitesse requise pour réduire encore les seuils d'accrochage des codes pseudoaléatoires, jusqu'à la valeur (C/No) avf l0 ~ Contrairement à l'état de l'art connu, l'aide fine de vitesse provient du navigateur orbital intégré au récepteur. Cette aide est donc interne et l'autonomie est conservée, comme représenté sur la figure 2.
La précision du navigateur peut donc être encore améliorée. Par ailleurs, en cas de dégradation progressive du bilan de liaison avec les émetteurs, la dégradation de cette précision peut étre limitée.
On a donc .
(C/No)avf<<C/No)a Etape 4 En cas de manoeuvre dédiée au contrôle d'orbite du satellite, le navigateur orbital reçoit la description desdites manoeuvres, et met à jour l'aide de vitesse fournie par le navigateur.
Pour que l'accrochage des codes -pseudoaléatoires reçus avec des faibles rapports C/No soit toujours possible en cas de manoeuvres, la condition suivante doit étre respectée au premier ordre

13 (sPV + sv) < ~= x c où sPV est la prédiction sur la pseudovitesse fournie par le navigateur, en absence de manoeuvre.
Étape 5 l0 Lorsqu'un code pseudoaléatoire est poursuivi avec un rapport C/No tel que .
(C/No) avf<C/No< (C/No) a la démodulation des données du message transmis par les émetteurs n'est pas possible.
En effet, cette démodulation doit être effectuée par la boucle de porteuse (boucle de phase).
Or cette boucle est ouverte lorsque le C/No respecte la double inégalité citée si dessus.
Les mises à jour des paramètres caractéristiques des émetteurs (positions et/ou vitesses et/ou coefficients d'horloge) doivent donc obligatoirement être communiquées au récepteur à l'aide de télécommandes externes. Par exemple, dans le cas d'un récepteur GPS ou GLONASS, ces paramètres peuvent être les éphémérides de la constellation utilisée.
La figure 2 illustre un récepteur 29 de _ 30 signaux en spectre ëtalé pour satellites qui comprend un module RF 30, recevant un signal en provenance d'une antenne 31, relié à une première entrée d'un corrélateur 32 suivi d'une boucle de phase 33 reliée à
une boucle de code 34 qui reçoit également le signal de

14 sortie du module RF 30, et dont la sortie est reliée à
une seconde entrée du corrélateur 32, et un navigateur , orbital intégré 35 qui reçoit de la boucle de phase les données et les pseudovitesses si (C/No)>(C/No)a et qui lui envoie une aide de vitesse fine, et qui reçoit de la boucle de code les pseudodistances.
Le navigateur orbital intégré reçoit la description de manoeuvres du satellite et les données externes.
~ La figure 3 illustre une variante de l'invention, où le navigateur orbital est intégré dans un calculateur de bord 36 présent dans le satellite.
Exemples d'application Les applications du procédé de l'invention concernant la réception de signaux en spectre étalé à
bord de satellites concernent les cas défavorables de bilans de liaison entre les émetteurs utilisés et lesdits satellites.
Par exemple ces applications peuvent ètre .
du point de vue des types de récepteurs * Navigation à l'aide d'un récepteur de constellation de satellites (comme GPS, GLONASS).
* Navigation à l'aide d'un transpondeur en spectre étalé. Le bilan de liaison peut étre défavorable en début et en fin de survol d'une station de télécommande/télémesure (TM/TC). ' * Navigation à l'aide d'un récepteur de signaux en spectre ëtalé transmis par un parc de balises au sol, munies d'antenne à diagramme de type hémisphérique. La puissance transmise par ces balises est supposée optimisée pour une utilisation par des satellites en orbite basse. Le bilan de liaison est r donc supposé moins favorable pour un satellite en orbite géostationnaire, par exemple.
5 * Réception en orbite de signaux en spectre étalé, en environnement brouillé par des émetteurs radioélectriques non désirés. Le rapport C/NO
équivalent des signaux reçus est diminué par rapport au cas d'un environnement non brouillé. Le bilan de l0 liaison est donc dégradé et le procédé de l'invention peut être nécessaire dans ce cas.
du point de vue des orbites * Navigation à l'aide d'un récepteur GPS, ou DORIS NG en orbite de transfert géostationnaire. Une orbite de transfert géostationnaire peut être des types suivants .
- orbite de transfert géostationnaire classique (OTG) ;
- orbite supersynchrone (OSPS) ;
- orbite sub-synchrone (OSBS) ;
- orbite de dérive (ODD) ;
Ces navigations peuvent être réalisées avec deux antennes à faible gain, si le seuil d'accrochage des signaux est faible (cf. référence [7]).
3o * Navigation à l'aide d'un récepteur en - orbite à haut apogée pouvant être des types suivants cités à titre d'exemple (cf. référence [8]) .
~ - orbite Molniya ;
- orbite Tundra ;
- orbite Archimède.

* Navigation à l'aide d'un récepteur en orbite circulaire pour constellation de satellites de navigation, de période de l'ordre de douze heures. Za réception de balises au sol à antenne hémisphérique est adaptée à ce cas de figure.
* Navigation à l'aide d'un récepteur en orbite basse, connecté à une ou plusieurs antennes de réception à faible coût, et donc non optimisées, mais suffisamment bonnes pour permettre au récepteur de réaliser l'étape 2 décrite dans l'invention.

RÉFÉRENCES
y [ 1 ] "Orbital Navigation With a GPS Receiver On The HETE
Spacecraft" (ION GPS janvier 94, pages 645-656) [2] "ESA Dual-Standard 5-Band Transponder . A Versatile TT&C Equipment For Communications Via A Data Relay Satellite Or Directly With The Ground Network" de J.L. Gerner (42nd Congress Of The International Astronautical Federation,5-11 octobre 1991) [3] "Accord de standardisation ; caractéristiques du système mondial de détermination de la position NAVSTAR (GPS)" (OTAN, STANAG 4294) [4] "GLONASS Approaches Full Operational Capability (FOC)" de P. Daly ( ION GPS, septembre 1995) [5] "Techniques et technologies des véhicules spatiaux module 6. Localisation spatiale" (Éditions Cépaduès) j6] "Low-Orbit Navigation Concepts" de H.James Rome (vol. 35, n° 3, Fall 1988, pages 371-390) j7] "GPS Techniques For Navigation Of Geostationary Satellites" de P. Ferrage, J.L. Issler, G. Campan et J.C. Durand (ION GPS, 12-15 septembre 1995) [8] "Applicability Of GPS-Based Orbit Determination Systems To A Wide Range of HEO Missions" de J.
- ~ Potti, P. Bernedo et A. Pasetti (ION GPS, 12-15 septembre 1995)

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Procédé de réduction autonome de seuils d'acquisition et de poursuite de codes pseudo-aléatoires d'étalement de spectre reçus en orbite par un récepteur, à
bord d'un satellite, accédant à un navigateur orbital, dans lequel le récepteur comporte une boucle de phase et une boucle de code, ledit procédé comprenant l'étape de :
réception, dans le récepteur, en provenance du navigateur, d'une aide de vitesse grossière nécessaire dans un mode d'acquisition assistée, permettant au récepteur de recevoir tout signal avec un rapport signal à
bruit C/No tel que C/No>(C/No)a, dans lequel (C/No)a est un seuil de réception dans le mode d'acquisition assistée;
une incertitude .delta.PV sur une prédiction d'une aide de vitesse fine (pseudo-vitesse) respectant la condition suivante :
dans laquelle B FI est une bande de prédiction, f i une fréquence d'un signal porteuse transmis par un émetteur n~ i, et C la vitesse de la lumière, ledit procédé
comprenant, en outre, les étapes suivantes :
poursuite des codes pseudo-aléatoires assistée par l'aide de vitesse fine fournie par le navigateur orbital et correction d'une erreur entre des vitesses réelle et calculée; et abaissement de seuils d'accrochage des codes pseudo-aléatoires vers une valeur (C/No)avf dans laquelle (C/No)avf est un seuil de réception des codes pseudo-aléatoires dans le mode d'acquisition assistée par l'aide de vitesse fine, une recherche d'une phase du code reçu s'effectuant autour d'une prédiction de phase entretenue par l'aide de vitesse fine provenant du navigateur orbital.

2. Le procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'il comporte une étape préliminaire pendant laquelle le récepteur démarre à froid sans aucune aide ni message externe ni interne, et accroche tout signal avec un rapport C/No tel que C/No>=(C/No)na, (C/No)na étant un seuil d'accrochage en mode non aidé.

3. Le procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce qu'en cas de manoeuvre dédiée à un contrôle d'orbite du satellite, le navigateur orbital reçoit une description de la manoeuvre, et met à jour une aide de vitesse fournie par le navigateur, et en ce que la condition suivante est respectée .
où .delta.PV est une précision sur une pseudo-vitesse fournie par le navigateur, en absence de manoeuvre, où .delta.V est une précision sur la description de la manoeuvre, où B FI est la bande de prédiction, C est la vitesse de la lumière et f i la fréquence du signal porteuse transmis par l'émetteur n o i.

4. Le procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que lorsqu'un code pseudo-aléatoire est poursuivi avec un rapport C/No tel que (C/No)avf<C/No<(C/No)a, des mises à jour des paramètres caractéristiques des émetteurs sont communiquées au récepteur à l'aide de télécommandes externes.