FR3105836A1 - Procedes et dispositifs de geolocalisation d'un premier terminal de telecommunication satellite, programmes d'ordinateur associes - Google Patents

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Abstract

Procédés et dispositifs de géolocalisation d’un premier terminal de télécommunication satellite, programmes d’ordinateur associés Procédé de géolocalisation d’un premier terminal de télécommunication satellite (20) via un satellite défilant transparent (10), comprenant, pour N signaux reçus en provenance dudit premier terminal à des instants t successifs par le deuxième terminal (30) : calculer la variation , du temps de transit en fonction des signaux reçus à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre TT(t) vérifie la formule théorique suivante considérée à chacun desdits instant t : avec :  : les coordonnées, connues, du satellite à l’instant t ;  : les coordonnées, inconnues, du premier terminal à l’instant t ;  : les coordonnées, connues, de réception à l’instant t. déterminer la géolocalisation du premier terminal à au moins un desdits instants t. Figure pour l'abrégé : Figure 1

Description

Procédés et dispositifs de géolocalisation d’un premier terminal de télécommunication satellite, programmes d’ordinateur associés
La présente invention concerne le domaine de la géolocalisation d’un terminal de télécommunication satellite utilisant un satellite défilant transparent.
On entend par «satellite défilant» un satellite non géostationnaire, i.e. dont l’orbite circulaire est distincte de 35786 km: par exemple un satellite dans une constellation défilante de type LEO (en anglais «Low Earth Orbit»), MEO («Medium Earth Orbit») ou HEO («Highly Elliptical Orbit»). On entend par «satellite transparent» un satellite dont le traitement des signaux se limite à une amplification et à une conversion de fréquentielle entre les liaisons montantes et descendantes. La valeur de cette conversion fréquentielle est connue.
La présente invention se rapporte à un procédé de géolocalisation d’un premier terminal de télécommunication satellite en fonction de signaux échangés par ledit premier terminal de télécommunication, sur une liaison de télécommunication satellite via un satellite défilant transparent,avec un deuxième terminal de télécommunication satellite dont la localisation est connue dans un contexte non coopératif.
La présente invention se rapporte à un procédé de géolocalisation d’un terminal de télécommunication satellite, utilisant un satellite défilant transparent, par exploitation des signaux issus de sa liaison descendante par un intercepteur passif. On entend par «intercepteur passif», un système de réception de signaux satellite espionnant la communication entre ledit terminal et son et/ou ses destinataires légitimes. Cet intercepteur n’émet aucun signal et se situe dans la zone de couverture satellite d’un des destinataires légitime du terminal à géolocaliser de manière à recevoir le signal issu de la liaison descendante. L’intercepteur n’étant pas le légitime destinataire du signal, son processus de géolocalisation se réalise dans un contexte non coopératif (ou encore non collaboratif).
Il existe notamment des méthodes de goniométrie déployées au niveau des satellites. En exploitant les décalages temporels des signaux reçus par différents capteurs, la source d’émission peut être localisée. Cette méthode présente l’inconvénient de nécessiter plusieurs antennes et de devoir s’opérer dans le segment spatial.
Il existe donc un besoin de géolocaliser de façon simple un terminal de télécommunications satellites dans un mode non coopératif.
A cet effet, suivant un premier aspect, l’invention propose un procédé de géolocalisation d’un terminal de télécommunication satellite en fonction de signaux reçus, en provenance dudit terminal de télécommunication, sur une liaison de télécommunication satellite via un satellite défilant ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins un ensemble d’étapes parmi les premier et deuxième ensembles d’étapes suivants mises en œuvre dans un module électronique de calcul de géolocalisation, tel queselon le premier ensemble d’étapes:
- pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs et étant donné la fréquence de réception de référence prédéterminée des signaux, N étant supérieur ou égal à 4, calculer la différence entre des fréquences de réception des signaux successives et déterminer les valeurs , en auxdits instants t successifs, d’une dérivée temporelle de la fréquence Doppler ΔF(t) du signal reçu en fonction des différences calculées;
- considérant chaque valeur successive , calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre ΔF(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :
= +
avec:
: produit scalaire euclidien;
: le vecteur vitesse du terminal que l’on cherche à localiser à l’instant t, considéré comme connu ;
: vecteur vitesse connue du satellite à l’instant t;
: vecteur directeur unitaire, inconnu, entre le terminal et le satellite à l’instant t;
: fréquence de la liaison montante, inconnue ;
: célérité de la lumière dans le vide;
: vecteur vitesse, considéré comme connu, du point de réception des signaux en provenance du terminal, à l’instant t;
: vecteur directeur unitaire, connu, entre le satellite et le point de réception des signaux à l’instant t;
: fréquence de la liaison descendante, inconnue ;
déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle à partir de laquelle le vecteur défini par ladite formule pointe vers le satellite;
et tel que selon le deuxième ensemble d’étapes:
- pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs, N étant supérieur ou égal à 3, calcul de la variation du temps de transit TT(t) du signal entre deux signaux reçus successivement considérées et détermination en fonction des variations successives déterminées, des valeurs , en auxdits instants t ;
- considérant chaque valeur successive calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre TT(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :
avec:
: les coordonnées, connues, du satellite à l’instant t;
: les coordonnées, inconnues, du terminalà l’instant t;
: les coordonnées, connues, du point de réception desdits signaux à l’instant t;
déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle .
La présente invention permettant la géolocalisation du premier terminal par un intercepteur ne nécessite pas le décodage des signaux reçus, elle permet de localiser un terminal de façon passive; en outre, elle ne nécessite qu’une seule antenne.
La présente invention exploite les évolutions temporelles d’un ou de plusieurs paramètres radiofréquences de la liaison générées par les constellations défilantes transparentes et dépendantes de la position du terminal.
Dans des modes de réalisation, un procédé de géolocalisation d’un terminal de télécommunication satellite suivant l’invention comporte en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes:
  • la détermination de la géolocalisation du terminal à partir comprend au moins une des deux étapes parmi:
- résolution du système d’équations, ou de dérivées temporelles de celles-ci défini par les N égalités entre chaque valeur successive ou , calculée à chacun des instants t successifs et par la dérivée de ladite formule correspondante considérée audit instant t;
- mise en œuvre d’une localisation itérative selon lequel:
i/ un maillage de la zone de couverture satellite ayant été préalablement réalisé avec une association en chaque point du maillage avec un profil précalculé donnant l’évolution temporelle de dΔF/dt telle que définie par ladite formule, ou d’une dérivée temporelle de dΔF/dt, respectivement avec un profil précalculé donnant l’évolution temporelle de dTT/dt telle que définie par ladite formule, ou d’une dérivée temporelle de dTT/dt, une comparaison a lieu entre les profils précalculés dans au moins une partie de la zone associé et le profil décrit par les valeurs calculées successives dΔF/d(t), ou par une dérivée temporelle de dΔF/d(t), respectivement le profil décrit par les valeurs calculées dTT/dt, ou par une dérivée temporelle de dTT/dt;
ii/ le point du maillage associé au profil précalculé déterminé, en fonction de ladite comparaison, le plus proche parmi les profils précalculés comparés, est déterminé comme point de géolocalisation du terminal pour l’itération courante; et
iii/ à l’itération suivante, les étapes i et ii sont réitérés au sein d’une sous-zone de couverture autour dudit point de géolocalisation avec un maillage plus fin que le maillage précédemment considéré;
  • le module électronique de calcul de géolocalisation met en œuvre itérativement les étapes suivantessur une fenêtre temporelle déterminée :
i/ considérant chaque première valeur successive dΔF(t)/dt déterminée, respectivement chaque valeur successive dTT(t)/dt déterminée pendant la fenêtre, déterminer les premiers coefficients polynomiaux d’un polynôme du premier ordre, respectivement d’un polynôme du premier ordre, donnant lesdites valeurs successives;
ii/ sur ladite fenêtre, et pour une première hypothèse de géolocalisation dudit terminal à localiser, calculer les valeurs théoriques dΔF(t)/dt, dTT(t)/dt à l’aide de la formule théorique correspondante et déterminer les deuxièmes coefficients polynomiaux d’un polynôme du premier ordre, respectivement d’un polynôme du premier ordre, donnant lesdites valeurs calculés;
iii/ calculer la valeur d’un estimateur de vraisemblance pour cette première hypothèse de géolocalisation; comparer entre eux les premiers et les deuxièmes coefficientset déterminer un déplacement à partir de la première hypothèse de géolocalisation en fonction de ladite comparaison;
iv/ réitérer les étapes précédentes avec la nouvelle hypothèse de géolocalisation ainsi déterminée suite audit déplacement;
v/ choisir la géolocalisation correspondant à un minimum du critère de vraisemblance;
  • ledit module électronique de calcul de géolocalisationest intégré dans un module intercepteur passif ne faisant pas partie du réseau dudit terminal ou ledit module électronique de calcul de géolocalisationest intégré dans un autre terminal du réseau, ledit autre terminal étant un terminal autorisé du réseau tandis que le terminal à localiser est un terminal non autorisé sur le réseau;
  • le vecteur vitesse du terminal à la vitesse est choisi comme correspondant à la vitesse de rotation de la terre.
Suivant un deuxième aspect, la présente invention propose un programme d’ordinateur comportant des instructions logicielles qui, lorsqu’elles sont exécutées par un ordinateur, mettent en œuvre un procédé tel que défini ci-dessus.
Suivant un troisième aspect, la présente invention propose un dispositif de géolocalisation d’un terminal de télécommunication satellite en fonction de signaux reçus en provenance dudit terminal de télécommunication, sur une liaison de télécommunication satellite via un satellite défilant;
ledit dispositif étant caractérisé en ce qu’il est adapté:
- pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs et étant donné la fréquence de réception de référence prédéterminée des signaux, N étant supérieur ou égal à 4, pour calculer la différence entre des fréquences de réception des signaux successives et déterminer les valeurs , en auxdits instants t successifs, d’une dérivée temporelle de la fréquence Doppler ΔF(t) du signal reçu en fonction des différences calculées; et
- considérant chaque valeur successive , calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre ΔF(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :
= +
avec:
: produit scalaire euclidien;
: le vecteur vitesse du terminal que l’on cherche à localiser à l’instant t, considéré comme connu ;
: vecteur vitesse connue du satellite à l’instant t;
: vecteur directeur unitaire, inconnu, entre le terminal et le satellite à l’instant t;
: fréquence de la liaison montante, inconnue ;
: célérité de la lumière dans le vide;
: vecteur vitesse, considéré comme connu, du point de réception des signaux en provenance du terminal, à l’instant t;
: vecteur directeur unitaire, connu, entre le satellite et le point de réception des signaux à l’instant t;
: fréquence de la liaison descendante, inconnue ;
pour déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle à partir de laquelle le vecteur défini par ladite formule pointe vers le satellite;
et/ou en ce que ledit dispositif est adapté:
- pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs, N étant supérieur ou égal à 3, calcul de la variation du temps de transit TT(t) du signal entre deux signaux reçus successivement considérées et détermination en fonction des variations successives déterminées, des valeurs , en auxdits instants t, d’une dérivée temporelle du temps de transit du signal reçu en fonction des variations calculées ; et
- considérant chaque valeur successive calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre TT(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :
avec:
: les coordonnées, connues, du satellite à l’instant t;
: les coordonnées, inconnues, du terminalà l’instant t;
: les coordonnées, connues, du point de réception desdits signaux à l’instant t,
pour déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle .
Dans un mode de réalisation, ledit dispositif est adapté pour être intégré dans un module intercepteur passif ne faisant pas partie du réseau dudit terminal ou ledit module électronique de calcul de géolocalisationest intégré dans un autre terminal du réseau, ledit autre terminal étant un terminal autorisé du réseau tandis que le terminal à localiser est un terminal non autorisé su sur le réseau.
Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
la figure 1 représente une vue schématique d’un système de télécommunication satellite dans un mode de réalisation de l’invention;
la figure 2 est une illustration des variations sur les paramètres radiofréquence de la liaison satellite dues au déplacement du satellite;
la figure 3 est une illustration d’une configuration du réseau de télécommunication et des variations sur les paramètres radiofréquences correspondantes;
la figure 4 est un organigramme d’étapes mises en œuvre dans un mode de réalisation de l’invention;
la figure 5 illustre un mode de réalisation particulier de l’invention à l’aide d’un maillage où chaque point du maillage est associé à un modèle préfini de variation de ΔF et/ou de TT en fonction du temps;
la figure 6 illustre un mode de réalisation particulier de l’invention à l’aide d’une approche polynomiale.
La figure 1 représente un système 1 de télécommunication par satellite défilant dans un mode de mise en œuvre de l’invention, comportant un satellite défilant 10 et deux terminaux 20, 31 de télécommunication. Chacun de ces terminaux est doté des moyens techniques pour émettre et recevoir des signaux par satellite (par exemple une antenne radiosatellite, d’un bloc d’amplification et de changement de fréquence et d’un modem ; ces moyens sont connus et ne sont pas détaillés ici. En outre, le système 1 comporte un terminal, intercepteur passif, 30 comportant une antenne radiosatellite.
Le satellite 10 est de type transparent (il ré-émet tout ce qu’il a reçu, au contraire des satellites régénératifs, qui reçoivent, démodulent, remodulent).
Dans le mode non collaboratif considéré ici, les terminaux Rx 30 et Tx 20 ne font pas partie du même réseau de télécommunication; le terminal 31 est le destinataire légitime des signaux émis par le terminal 20 et le terminal 30 est un intercepteur passif 30 disposé dans la zone de couverture 32 de la liaison descendante, i.e. la zone de couverture satellite du destinataire légitime 31. Cette zone 32 dépend de la configuration des spots du satellite et de l’antenne utilisée par l’intercepteur. Par exemple, le terminal Rx 30 est placé de manière à pouvoir «écouter», via sa propre antenne satellite, les signaux reçus par le terminal 31 de télécommunication satellite, à «proximité» du terminal Rx 30 (la distance peut atteindre 1000 km par exemple) faisant partie du même réseau que le terminal Tx 20 et recevant les signaux émis par ce dernier (par exemple, cet autre terminal est la station d’ancrage du réseau auquel appartient le terminal Tx 20). Le terminal Rx 30 est par exemple adapté pour effectuer une phase préalable de recherche des signaux reçus avant de les analyser: il pointe son antenne vers le satellite défilant 10 et configure sa bande de réception sur celle du satellite.
Moyennant ces précisions, on considère ci-après, pour une simplicité de lecture, que la liaison descendante est établie avec le terminal Rx 30 - même si elle est en réalité établie avec l’autre terminal à proximité.
Le terminal 30, nommé terminal Rx 30, est doté d’un dispositif de géolocalisation 40 adapté pour analyser les signaux reçus en provenance du terminal 20, nommé terminal Tx 20, et pour déterminer, en fonction de cette analyse, une géolocalisation du terminal Tx 20 dans un premier mode de réalisation. Les signaux sont émis par le terminal Tx 20 sur la liaison montante 3 jusqu’au satellite 10, puis émis par le satellite 10 sur la liaison descendante 4 vers le terminal Rx 30.
Par exemple, le terminal 30, dans ce premier mode de réalisation, connaît sa propre position et celle du satellite (il doit pointer vers lui grâce à l’utilisation d’éphéméride).
Dans un mode de réalisation, le dispositif de géolocalisation 40 comprend une mémoire 43 et un processeur 44. La mémoire 43 comprend des instructions logicielles, qui lorsqu’elles sont exécutées sur le processeur 44, mettent en œuvre automatiquement les étapes incombant au dispositif de géolocalisation 40 décrites en référence à la figure 4.
En défilant, le satellite 10 crée des variations temporelles de décalage Doppler et de temps de transit, comme représenté en figure 2 en considérant la position du satellite à trois instants successifs t0, t1, t2 et les valeurs correspondantes de décalage Doppler ΔF(t0), ΔF(t1), ΔF(t2) et de temps de transit TT(t0), TT(t1), TT(t2).
Comme il est connu, le décalage Doppler est le décalage de fréquence d’une onde observé lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps et le temps de transit est le temps de propagation de l’onde sur le lien montant 3 et sur le lien descendant 4.
L’évolution du décalage Doppler et l’évolution du temps de transit dépendent de la position du terminal Tx 20 à localiser, de la position connue du terminal Rx 30, de la position connue du satellite 10, de la fréquence fUL, non connue dans le mode non collaboratif considéré, de la liaison montante 3, de la fréquence fDLde la liaison descendante 4, également non connue dans le mode non collaboratif.
Le décalage doppler ΔF(t) vérifie la formule théorique suivante (formule 1) à l’instant t :
= + +
avec
: décalage Doppler de la liaison montante à l’instant t;
: décalage Doppler de la liaison descendante à l’instant t;
: produit scalaire euclidien;
: le vecteur vitesse du premier terminal que l’on cherche à localiser à l’instant t, considéré au premier ordre comme égal à la vitesse correspondant à la rotation de la terre ;
: vecteur vitesse connue du satellite à l’instant t;
: vecteur directeur unitaire, inconnu, entre le premier terminal et le satellite à l’instant t;
: fréquence de la liaison montante a priori inconnue en non coopératif;
: célérité de la lumière dans le vide;
: vecteur vitesse, connu, du deuxième terminal à l’instant t;
: vecteur directeur unitaire, connu, entre le satellite et le deuxième terminal à l’instant t;
: fréquence de la liaison descendante a priori inconnue en non coopératif;
Tous les vecteurs sont exprimés dans un repère orthonormé. Le repère orthonormé peut être fixe ou inertiel par rapport à la terre.
Le vecteur peut être décomposé selon la somme .:
est le vecteur vitesse du terminal Rx 30 à la rotation de la terre.
est le vecteur vitesse dû au déplacement du terminal Rx 30 sur la terre.
Dans le mode de réalisation ici considéré, qui, en pratique, est faible devant dans le cas de constellations défilantes, est ici négligée: à l’équateur, la composante du vecteur vitesse due la rotation de la terre est de 465 m/s, soit 1675 km/h. Par ailleurs, l’estimation est suffisamment rapide pour négliger ce terme.
Similairement, le vecteur vitesse du terminal Tx 20 peut être assimilé à celui de rotation de la terre.
A noter qu’on pourrait aussi considérer que le vecteur vitesse d’un terminal est égal à la somme de ce vecteur de rotation et d’une vitesse déterminée, par exemple une constante, représentant la vitesse du terminal par rapport à la terre. De manière encore plus générale, on pourrait également trouver le vecteur vitesse complet en l’intégrant dans la formule 1. Une méthode pour l’estimer est par exemple de renouveler l’estimation de position régulièrement. La méthode d’estimation étant rapide, elle peut négliger le terme de vitesse du porteur. En renouvelant la mesure après une période où le vecteur vitesse a fait varier significativement la position, on refait une mesure. Le vecteur vitesse est donné par la variation de position pendant cette durée. Une solution utilisant un filtre de Kalman donnera une estimation plus précise.
Lorsque seule la position du terminal à géolocaliser est inconnue, sachant que les fréquences UL et DL sont décalées d’une constante, et que cette transposition est connue, ll y a au total 4 inconnues dans la formule 1: fDLet les 3 composantes de Seules 2 positions pour ledit terminal mènent à une même fonction conformément à la formule 1 : sa position effective et la position symétrique de celle-ci par rapport au plan défini par l’orbite du satellite. Dans le cas d’une orbite circulaire, on ne pourra ainsi déterminer si le terminal à géolocaliser est dans l’hémisphère Nord ou dans l’hémisphère Sud si cette information n’est par ailleurs pas connue.
Le temps de transit TT(t) vérifie la formule théorique suivante (formule 2) à l’instant t :
= +
avec
: temps de transit de la liaison montante; ce terme est inconnu;
: temps de transit de la liaison descendante; ce terme est connu;
: coordonnées sur satellite à l’instant t; ces coordonnées sont connues;
: coordonnées du terminal Tx 20 que l’on cherche à localiser; ces coordonnées sont inconnues;
: coordonnées du terminal Rx 30; ces coordonnées sont connues.
Toutes ces coordonnées sont exprimées dans un repère orthonormé. Le repère orthonormé peut être fixe ou inertiel par rapport à la terre.
Lorsque seule la position du terminal à localiser est inconnue, seules 2 positions pour ce terminal mènent à une même fonction selon la formule 2 : la position effective du terminal et sa position symétrique par rapport au plan défini par l’orbite du satellite.
La résolution des équations correspondantes peut être simplifiée en tenant compte:
  • du mouvement de rotation de la terre;
  • de la trajectoire orbitale du satellite.
Sur la figure 3 sont représentées, en fonction de t, les courbes dΔF/dt et dTT/dt générées par les constellations défilantes et dépendantes de la position du premier terminal. L’évolution de ces paramètres ou de leurs dérivées est unique: elle permet de localiser un terminal de télécommunication. Ainsi la droite dΔF1/dt représente la suite des valeurs dΔF/dt qui seraient données directement par l’application de la formule (1) dans le cas de signaux reçus par le terminal 30 RX1 en provenance du terminal TX1, au cas où toutes les valeurs de la partie à droite de l’égalité étaient connues; similairement dΔF2/dt, respectivement dΔF3/dt à la suite des valeurs dΔF/dt qui seraient données directement par la formule (1) en considérant TX2, respectivement TX3 à la place de TX1. Similairement la courbe dTT1/dt, respectivement dTT2/dt, dTT3/dt représente la suite des valeurs dTT/dt qui seraient données directement par l’application de la formule (2) dans le cas de signaux reçus par le terminal 20 RX1 en provenance du terminal TX1, respectivement TX2, TX3.
Selon l’invention, en rapprochant les valeurs théoriques de ΔF et/ou TT(t) données par les formules théoriques (1) et/ou (2), et les informations correspondantes effectivement mesurées sur les signaux reçus, il est possible de déterminer la localisation du terminal 20.
Ou plus exactement, dans un contexte non coopératif, on ne peut mesurer directement, sur la base d’un signal reçu par le terminal 30, la fréquence Doppler ΔF et/ou le temps de transit TT correspondant(s).
Le suivi selon l’invention ne peut se faire qu’avec l’exploitation des ordres supérieurs à 1 de la fréquence Doppler ΔF et/ou du temps de transit (vitesse, accélération, etc..).
Le suivi peut ainsi se faire :
  • de façon fréquentielle par un suivi de variation de la fréquence porteuse centrale du signal reçu, afin d’obtenir des variations de fréquences, , ;
  • de façon temporelle par un suivi, par exemple, des séquences de référence (qui sont des signaux temporels connus placés dans la trame à l’émission à des moments normés et connus) pour obtenir les variations de temps de transit, , ;
  • de façon hybride, en combinant le suivi des deux évolutions.
Ainsi en référence à la figure 4, l’ensemble 100 d’étapes est mis en œuvre par le dispositif de géolocalisation 40.
Dans une première étape 101:
- le dispositif de géolocalisation 40 analyse NFsignaux reçus à des instants successifs t0, t1 , .., tk, … (avec tk = t0 + k.Tepour tout k entier; où Teest la fréquence d’analyse par le terminal Rx 30, NFétant supérieur ou égal à 4et détermine pour chacun des NFsignaux reçus à des instants t successifs par le terminal Rx 30, la fréquence centrale des signaux reçus Fr(t) (qui est égale à fDL+ ΔF(t), chacun de ces deux termes étant inconnus a priori);
- puis le dispositif de géolocalisation 40 calcule à chaque instant la différence entre la fréquence de réception dudit signal à un instant t et la fréquence de réception à un instant précédent : d(ΔF(tk)) / dt = (Fr(tk+1) - Fr(tk))/ Te= (ΔF(tk+1) - ΔF(tk)/ Te, i.e. la fonction donnant la variation de ΔF en fonction du temps (i.e. sa dérivée d’ordre 1);
et/ou
- pour chacun des NTsignaux reçus à des instants t successifs par le terminal Rx 30, NTétant supérieur ou égal à 3, le dispositif de géolocalisation 40 identifie à chaque instant tk le temps de positionnement tref(k) d’une séquence de référence, calcule la différence, à chaque instant de mesure, entre le temps de positionnement dudit signal à un instant tk et celui de l’instant précédent, qui est égal à la variation du temps de transit entre les deux instants : d(TT(tk) / dt = (tref(k) - tref(k+1) / Te, i.e. la fonction donnant la variation de TT en fonction du temps (i.e. sa dérivée d’ordre 1).
Bien sûr, des dérivées d’ordre supérieur peuvent aussi être utilisées pour le calcul des variations dans le temps du décalage Doppler et/ou du temps de transit; similairement la pente pourra être calculée en considérant non pas deux échantillons successifs mais séparés de r.Te: d(ΔF(tk+r)) / dt = Fr(tk+r) - Fr(tk)/ rTe.
Le délai Teentre des instants successifs de mesure est par exemple compris dans la plage 0.1ms à 10s.
Par ailleurs, dans la formule 1, le vecteur directeur unitaire est inconnu. Ce terme comporte 3 inconnues. En théorie, dès 4 mesures temporelles de la variation de fréquence de réception, il peut donc être déterminé; en pratique, bien sûr, il est préférable de prendre en compte plus de mesures pour affiner le résultat et diminuer l’impact des erreurs de mesures.
Les considérations sont similaires quant au temps de transit et à la formule 2.
Ainsi dans une étape 102, le système d’équations défini par les NFégalités entre chaque valeur successive dΔF(t)/dt calculée à chacun des instants t successifs et par la dérivée de la formule (1) correspondante considérée audit instant test résolu par la mise en œuvre d’un algorithme de résolution du système d’équation par le dispositif de géolocalisation 40; et/ou
le système d’équations défini par les NTégalités entre chaque valeur successive d(TT(t))/dt calculée à chacun des instants t successifs et par la dérivée de la formule (2) correspondante considérée audit instant test résolu par la mise en œuvre d’un algorithme de résolution du système d’équation par le dispositif de géolocalisation 40.
Il existe plusieurs méthodes de résolutions de ces équations, par exemple de type:
  • méthode brute force;
  • méthode itérative;
  • méthode du gradient.
  • filtre de Kalman
Ces méthodes et leurs implémentations présentent desdifférences de vitesse de convergence, de précision de la mesure finale, de sensibilité à des erreurs de mesure, de complexité de calcul
La meilleure méthode de résolution dépendra donc des contraintes de mise en œuvre.
Suivant les cas, on n’utilisera que la dérivée de fréquence Doppler ou du temps de transit pour effectuer la géolocalisation, ou encore les deux pour obtenir de meilleurs résultats en précision, vitesse de convergence, etc…
La géolocalisation du terminal Tx 20 à l’instant t est égale à celle à partir de laquelle le vecteur défini par ledit système d’équation pointe vers le satellite.
Dans une étape 103, la détermination de la géolocalisation du terminal Tx 20 est achevée, en sélectionnant celle des deux positions symétriques qui peut être retenue et en combinant le cas échéant les géolocalisations distinctes déterminées via les dérivées des temps de transit et le Doppler.
La présente invention permet ainsi de déterminer la géolocalisation d’un terminal satellite appartenant à un réseau de manière passive, à l’aide des signaux reçus sur la liaison descendante.
En outre, selon l’invention, il n’y a pas besoin de connaître une position initiale du terminal à géolocaliser pour déterminer sa position courante.
Dans un mode de réalisation dit mode de réalisation MDR1, au cours de l’étape 102, un traitement distinct, relatif à l’évolution des observations Doppler dΔF/dt et/ou des observations dTT/dt du temps de transit complète, ou remplace, le traitement de résolution directe du système d’équations présentés, décrit plus haut.
Ainsidans une phase préalable:
- la zone de couverture où sont susceptibles de se trouver les terminaux à géolocaliser est maillée en longitude et latitude selon un pas donné; pour chaque point de la grille, l’évolution temporelle de la dérivée du Doppler est précalculée en fonction de la formule 1 et/ou l’évolution temporelle de la dérivée du temps de transit est précalculée en fonction de la formule 2; et le profil temporel théorique obtenu est associé à chaque point de la grille dans une base de données chargée en mémoire du dispositif de géolocalisation 40.
Puis, dans une phase opérationnelle, dans une étape de comparaison de profils, le dispositif de géolocalisation 40 obtient les NFobservations successives relatives à la dérivée du Doppler et/ou les NTobservations successives relatives à la dérivée du temps de transit de l’étape 101, ce qui définit un profil calculé conformément à l’étape 101 Le dispositif de géolocalisation 40 compare alors le profil de dérivée Doppler ainsi calculé issu de l’observation aux profils temporels de dérivée Doppler préalablement associés aux points de la grille et sélectionne le profil le plus proche: le dispositif de géolocalisation 40 affecte alors au terminal à géolocaliser la position du point de la grille associé au profil sélectionné.
Le terminal à localiser se trouve en PR; le point P2 de la grille est celui des trois points de la grille considérés ici dont le profil prédéfini associé est le plus proche du profil d’observation.
En outre, ou à la place, le dispositif de géolocalisation 40 compare alors le profil de la dérivée de temps de transit calculé aux profils temporels de la dérivée de temps de transit théoriques associés aux points de la grille et sélectionne le profil théorique le plus proche: le dispositif de géolocalisation 40 affecte alors au terminal à géolocaliser la position du point de la grille associé au profil sélectionné.
Dans le cas où et la dérivée Doppler et la dérivée du temps de transit sont considérées et que les points de la grille affectés sont distincts, une solution unique est déterminée par applicatif d’une règle prédéfinie (par exemple moyennage…).
Puis l’étape de comparaison de profils est réitérée seulement dans une sous-zone réduite de couverture autour du point de géolocalisation, en considérant un maillage plus fin (par exemple 1°, puis 0,1°, puis 0,01° …), pour affiner la géolocalisation tout en limitant les calculs.
Dans un mode de réalisation MDR2, au cours de l’étape 102, un traitement distinct, relatif à l’évolution des observations Doppler dΔF/dt et/ou des observations dTT/dt du temps de transit complète, ou remplace, le traitement de résolution directe du système d’équations présenté, décrit plus haut et/ou le traitement selon le mode de réalisation MDR1 décrit ci-dessus.
Selon ce dernier mode de réalisation, l’évolution de la fonction d et/ou de dTT/dt est modélisée sous la forme de polynômes: du second ordre pour a dérivée du décalage Doppler et du premier ordre pour la dérivée du temps de transit.
Ainsi on peut approcher l’évolution de la dérivée du décalage Doppler sous la forme .
De même, on peut approcher l’évolution de la dérivée du temps de transit sous la forme .
Les valeurs des coefficients dépendent notamment de la position du terminal à déterminer.
Selon cette approche, le dispositif de géolocalisation 40 met en œuvre la méthode itérative suivante:
  • i/ sur une période temporelle donnée, le dispositif de géolocalisation 40 obtient NFobservations successives relatives au Doppler (et/ou les NTobservations successives relatives au temps de transit) de l’étape 101 et calcule les coefficients polynomiaux a’obs, b’obs ; c’obspour la variation du décalage Doppler (aobs, bobs pour la variation du temps de transit) correspondant aux observations;
  • ii/ sur la même durée temporelle, une position du terminal émetteur Tx 20 est supposée et les valeurs successives théoriques de (et/ou de dTT/dt) sont calculées pour cette hypothèse de position avec la formule théorique 1 (et/ou la formule théorique 2); puis les coefficients polynomiaux associés a’hyp, b’hyp; c’hyp) (ahyp, bhyppour la variation de temps de transit) - tels que le polynôme correspondant donnent les valeurs théoriques calculées - sont calculés;
  • iii/ la valeur d’un estimateur de vraisemblance associé à cette hypothèse, , (et caractérisant la distance par rapport à la valeur la plus vraisemblable) est calculée (par exemple où | . | est la valeur absolue) ;
  • iv/ les coefficients des deux modélisations sont comparés entre eux: en fonction des signes relatifs des 2 modélisations, un déplacement selon l’axe Est/Ouest ou selon l’axe Nord/Sud est déduit; le déplacement peut se faire selon un pas fixe ou variable;
  • v/ l’opération est réitérée à partir de i/ jusqu’à obtenir la position qui minimise le critère de vraisemblance.
La figure 6 illustre la détermination de la localisation en itérant ces étapes jusqu’à déterminer un minimum (la localisation PRp étant finalement prise égale au lieu considéré à la troisième itération, point référencé Hyp.3).
A noter que l’observation considérée et les profils et polynômes mentionnés se réfèrent indifféremment à la dérivée d’ordre 1 du temps de transit, du Doppler, ou aux dérivées d’ordre supérieur.
La présente invention permet en outre à un réseau de localiser la présence d’un utilisateur non autorisé dans son réseau.
Dans un autre mode de réalisation, le dispositif de géolocalisation 40 est réalisé sous forme d’un composant logique programmable, tel qu’un FPGA (de l’anglaisField Programmable Gate Array), ou encore sous forme d’un circuit intégré dédié, tel qu’un ASIC (de l’anglaisApplications Specific Integrated Circuit), ou encore un DSP (Digital Signal Processor) ou GPU (Graphics Processing Unit).

Claims (10)

  1. Procédé de géolocalisation d’un terminal de télécommunication satellite (20) en fonction de signaux reçus, en provenance dudit terminal de télécommunication, sur une liaison de télécommunication satellite (3. 4) via un satellite défilant (10) ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend au moins un ensemble d’étapes parmi les premier et deuxième ensembles d’étapes suivants mises en œuvre dans un module électronique de calcul de géolocalisation (40), tel queselon le premier ensemble d’étapes:
    - pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs et étant donné la fréquence de réception de référence prédéterminée (fDL) des signaux, N étant supérieur ou égal à 4, calculer la différence entre des fréquences de réception des signaux successives et déterminer les valeurs , en auxdits instants t successifs, d’une dérivée temporelle de la fréquence Doppler ΔF(t) du signal reçu en fonction des différences calculées;
    - considérant chaque valeur successive , calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre ΔF(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :
    = +
    avec:
    : produit scalaire euclidien;
    : le vecteur vitesse du terminal que l’on cherche à localiser à l’instant t, considéré comme connu ;
    : vecteur vitesse connue du satellite à l’instant t;
    : vecteur directeur unitaire, inconnu, entre le terminal et le satellite à l’instant t;
    : fréquence de la liaison montante, inconnue ;
    : célérité de la lumière dans le vide;
    : vecteur vitesse, considéré comme connu, du point de réception des signaux en provenance du terminal, à l’instant t;
    : vecteur directeur unitaire, connu, entre le satellite et le point de réception des signaux à l’instant t;
    : fréquence de la liaison descendante, inconnue ;
    déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle à partir de laquelle le vecteur défini par ladite formule pointe vers le satellite;
    et tel que selon le deuxième ensemble d’étapes:
    - pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs, N étant supérieur ou égal à 3, calcul de la variation du temps de transit TT(t) du signal entre deux signaux reçus successivement considérées et détermination en fonction des variations successives déterminées, des valeurs , en auxdits instants t ;
    - considérant chaque valeur successive calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre TT(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :

    avec:
    : les coordonnées, connues, du satellite à l’instant t;
    : les coordonnées, inconnues, du terminalà l’instant t;
    : les coordonnées, connues, du point de réception desdits signaux à l’instant t;
    déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle .
  2. Procédé de géolocalisation selon la revendication précédente, selon lequel la détermination de la géolocalisation du terminal à partir comprend au moins une des deux étapes parmi:
    - résolution du système d’équations, ou de dérivées temporelles de celles-ci défini par les N égalités entre chaque valeur successive ou , calculée à chacun des instants t successifs et par la dérivée de ladite formule correspondante considérée audit instant t;
    - mise en œuvre d’une localisation itérative selon lequel:
    i/ un maillage de la zone de couverture satellite ayant été préalablement réalisé avec une association en chaque point du maillage avec un profil précalculé donnant l’évolution temporelle de dΔF/dt telle que définie par ladite formule, ou d’une dérivée temporelle de dΔF/dt, respectivement avec un profil précalculé donnant l’évolution temporelle de dTT/dt telle que définie par ladite formule, ou d’une dérivée temporelle de dTT/dt, une comparaison a lieu entre les profils précalculés dans au moins une partie de la zone associé et le profil décrit par les valeurs calculées successives dΔF/d(t), ou par une dérivée temporelle de dΔF/d(t), respectivement le profil décrit par les valeurs calculées dTT/dt, ou par une dérivée temporelle de dTT/dt;
    ii/ le point du maillage associé au profil précalculé déterminé, en fonction de ladite comparaison, le plus proche parmi les profils précalculés comparés, est déterminé comme point de géolocalisation du terminal pour l’itération courante; et
    iii/ à l’itération suivante, les étapes i et ii sont réitérés au sein d’une sous-zone de couverture autour dudit point de géolocalisation avec un maillage plus fin que le maillage précédemment considéré.
  3. Procédé de géolocalisation d’un terminal de télécommunication (20) selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le module électronique de calcul de géolocalisation (40) met en œuvre itérativement les étapes suivantessur une fenêtre temporelle déterminée :
    i/ considérant chaque première valeur successive dΔF(t)/dt déterminée, respectivement chaque valeur successive dTT(t)/dt déterminée pendant la fenêtre, déterminer les premiers coefficients polynomiaux d’un polynôme du premier ordre, respectivement d’un polynôme du premier ordre, donnant lesdites valeurs successives;
    ii/ sur ladite fenêtre, et pour une première hypothèse de géolocalisation dudit terminal à localiser, calculer les valeurs théoriques dΔF(t)/dt, dTT(t)/dt à l’aide de la formule théorique correspondante et déterminer les deuxièmes coefficients polynomiaux d’un polynôme du premier ordre, respectivement d’un polynôme du premier ordre, donnant lesdites valeurs calculés;
    iii/ calculer la valeur d’un estimateur de vraisemblance pour cette première hypothèse de géolocalisation; comparer entre eux les premiers et les deuxièmes coefficientset déterminer un déplacement à partir de la première hypothèse de géolocalisation en fonction de ladite comparaison;
    iv/ réitérer les étapes précédentes avec la nouvelle hypothèse de géolocalisation ainsi déterminée suite audit déplacement;
    v/ choisir la géolocalisation correspondant à un minimum du critère de vraisemblance.
  4. Procédé de géolocalisation d’un terminal de télécommunication (20), selon lequel l’une des revendications précédentes, selon lequel ledit module électronique de calcul de géolocalisationest intégré dans un module intercepteur passif ne faisant pas partie du réseau dudit terminal ou ledit module électronique de calcul de géolocalisationest intégré dans un autre terminal du réseau, ledit autre terminal étant un terminal autorisé du réseau tandis que le terminal à localiser est un terminal non autorisé sur le réseau.
  5. Procédé de géolocalisation d’un terminal de télécommunication (20), selon lequel le vecteur vitesse du terminal est choisi comme correspondant à la vitesse de rotation de la terre.
  6. Programme d’ordinateur comprenant des instructions logicielles, qui lorsqu’elles sont exécutées sur un processeur d’un module électronique de calcul de géolocalisation, mettent en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  7. Dispositif de géolocalisation (40) d’un terminal de télécommunication satellite (20) en fonction de signaux reçus en provenance dudit terminal de télécommunication, sur une liaison de télécommunication satellite (3, 4) via un satellite défilant (10) ;
    ledit dispositif étant caractérisé en ce qu’il est adapté:
    - pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs et étant donné la fréquence de réception de référence prédéterminée (fDL) des signaux, N étant supérieur ou égal à 4, pour calculer la différence entre des fréquences de réception des signaux successives et déterminer les valeurs , en auxdits instants t successifs, d’une dérivée temporelle de la fréquence Doppler ΔF(t) du signal reçu en fonction des différences calculées; et
    - considérant chaque valeur successive , calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre ΔF(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :
    = +
    avec:
    : produit scalaire euclidien;
    : le vecteur vitesse du terminal que l’on cherche à localiser à l’instant t, considéré comme connu ;
    : vecteur vitesse connue du satellite à l’instant t;
    : vecteur directeur unitaire, inconnu, entre le terminal et le satellite à l’instant t;
    : fréquence de la liaison montante, inconnue ;
    : célérité de la lumière dans le vide;
    : vecteur vitesse, considéré comme connu, du point de réception des signaux en provenance du terminal, à l’instant t;
    : vecteur directeur unitaire, connu, entre le satellite et le point de réception des signaux à l’instant t;
    : fréquence de la liaison descendante, inconnue ;
    pour déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle à partir de laquelle le vecteur défini par ladite formule pointe vers le satellite;
    et/ou en ce que ledit dispositif est adapté:
    - pour chacun de N des signaux reçus à des instants t successifs, N étant supérieur ou égal à 3, calcul de la variation du temps de transit TT(t) du signal entre deux signaux reçus successivement considérées et détermination en fonction des variations successives déterminées, des valeurs , en auxdits instants t, d’une dérivée temporelle du temps de transit du signal reçu en fonction des variations calculées ; et
    - considérant chaque valeur successive calculée à chacun des N instants t successifs et considérant qu’en outre TT(t) vérifie la formule suivante considérée à chacun desdits instant t :

    avec:
    : les coordonnées, connues, du satellite à l’instant t;
    : les coordonnées, inconnues, du terminalà l’instant t;
    : les coordonnées, connues, du point de réception desdits signaux à l’instant t,
    pour déterminer la géolocalisation du terminal à au moins un desdits instants t comme étant égale à celle .
  8. Dispositif de géolocalisation (40) selon la revendication précédente, adapté pour, dans la détermination de la géolocalisation du terminal, résoudre le système d’équations, ou de dérivées temporelles de celles-ci défini par les N égalités entre chaque valeur successive ou , calculée à chacun des instants t successifs et par la dérivée de ladite formule correspondante considérée audit instant t;
    et/ou ledit dispositif est adapté pour mettre en œuvre une localisation itérative dans laquelle:
    i/ un maillage de la zone de couverture satellite ayant été préalablement réalisé avec une association en chaque point du maillage avec un profil précalculé donnant l’évolution temporelle de dΔF/dt telle que définie par ladite formule, ou d’une dérivée temporelle de ΔF/dt, respectivement avec un profil précalculé donnant l’évolution temporelle de dTT/dt telle que définie par ladite formule, ou d’une dérivée temporelle de dTT/dt, le dispositif est adapté pour comparer les profils précalculés dans au moins une partie de la zone associé et le profil décrit par les valeurs calculées successives dΔFd(t)/dt, ou par une dérivée temporelle de dΔF/d(t), respectivement le profil décrit par les valeurs calculées dTT/dt, ou par une dérivée temporelle de dTT/dt;
    ii/ le dispositif est adapté pour déterminer, comme point de géolocalisation du terminal pour l’itération courante, le point du maillage associé au profil précalculé déterminé, en fonction de ladite comparaison, le plus proche parmi les profils précalculés comparés ; et
    iii/ à l’itération suivante, le dispositif est adapté pour réitérer les opérations i et ii au sein d’une sous-zone de couverture autour dudit point de géolocalisation avec un maillage plus fin que le maillage précédemment considéré.
  9. Dispositif de géolocalisation (40) d’un terminal de télécommunication (20) selon la revendication 7 ou 8, adapté pour de façon itérative, sur une fenêtre temporelle déterminée :
    i/ considérant chaque première valeur successive dΔF(t)/dt déterminée, respectivement chaque valeur successive dTT(t)/dt déterminée pendant la fenêtre, déterminer les premiers coefficients polynomiaux d’un polynôme du premier ordre, respectivement d’un polynôme du premier ordre, donnant lesdites valeurs successives;
    ii/ sur ladite fenêtre, et pour une première hypothèse de géolocalisation dudit terminal à localiser, calculer les valeurs théoriques dΔF(t)/dt, dTT(t)/dt à l’aide de la formule théorique correspondante et déterminer les deuxièmes coefficients polynomiaux d’un polynôme du premier ordre, respectivement d’un polynôme du premier ordre, donnant lesdites valeurs calculés;
    iii/ calculer la valeur d’un estimateur de vraisemblance pour cette première hypothèse de géolocalisation; comparer entre eux les premiers et les deuxièmes coefficientset déterminer un déplacement à partir de la première hypothèse de géolocalisation en fonction de ladite comparaison;
    iv/ réitérer les opérations i à iv avec la nouvelle hypothèse de géolocalisation ainsi déterminée suite audit déplacement;
    le dispositif de géolocalisation (40) étant adapté pour choisir la géolocalisation correspondant à un minimum du critère de vraisemblance
  10. Dispositif de géolocalisation (40) d’un terminal de télécommunication (20), selon lequel l’une des revendications 7-9, adapté pour être intégré dans un module intercepteur passif ne faisant pas partie du réseau dudit terminal ou ledit module électronique de calcul de géolocalisationest intégré dans un autre terminal du réseau, ledit autre terminal étant un terminal autorisé du réseau tandis que le terminal à localiser est un terminal non autorisé sur le réseau.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020070889A1 (en) * 1999-08-19 2002-06-13 The Secretary Of State For Defence Method and apparatus for locating the source of an unknown signal
EP2784534A1 (fr) * 2013-03-28 2014-10-01 Glowlink Communications Technology, Inc. Détermination de l'emplacement d'un émetteur à l'aide d'un seul satellite géostationnaire
US20180095156A1 (en) * 2016-07-08 2018-04-05 Daniel A. Katz Single Burst Single Satellite Beacon Localization

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