FR3114409A1 - Methode et dispositif de detection passive d'une cible a partir de signaux de radionavigation par satellite - Google Patents
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Abstract
L’invention propose une méthode de détection et localisation de cibles situées au voisinage d’un récepteur, qui exploite simultanément plusieurs sources de signaux d’opportunité non colocalisées, par exemple des satellites d’une constellation GNSS. Les signaux émis par des satellites peuvent être réfléchis ou diffractés sur des objets (mobiles ou non) avant d’être interceptés par un récepteur. Compte tenu de la distance importante entre un satellite et l’objet à détecter, les pertes de propagation (ionosphérique et troposphérique) impactant le signal directement reçu par un récepteur et le signal réfléchi sur la cible sont communes. Seule la perte de propagation liée à la réflexion du signal sur la cible et à la propagation du signal réfléchi entre la cible et le récepteur sont à prendre en compte. Figure 3
Description
L’invention concerne le domaine de la détection et localisation passive de cibles, mobiles ou fixes à partir de signaux radio existants utilisés comme sources d’illumination de ces cibles.
L’invention concerne également le domaine des systèmes de radionavigation par satellite dans lesquels les signaux émis peuvent être utilisés pour réaliser une détection passive de cibles.
En particulier, l’invention s’applique à la détection et localisation d’un mobile ou d’un obstacle situé à proximité d’un porteur, par exemple un aéronef.
Un problème général que vise à résoudre l’invention est celui de la détection et localisation de cibles à partir de signaux radio existants et utilisés pour d’autres finalités. Un avantage à l’exploitation de tels signaux est que cela permet d’éviter le développement d’équipements radars spécifiques qui peuvent être couteux et encombrants, en particulier pour des applications embarquées.
En particulier, lorsqu’un porteur est équipé d’un récepteur de signaux de radionavigation par satellite (utilisé pour déterminer sa position notamment), ces signaux peuvent être exploités pour détecter et localiser des cibles ou des obstacles situés dans l’environnement du porteur du fait de leurs réflexions multiples sur ces cibles ou obstacles.
Une première solution connue pour détecter et identifier une plateforme aéronautique consiste à utiliser un transpondeur implémentant un radar secondaire (par exemple de type IFF ou ADS-B). Ce type de technologie nécessite que la cible à identifier soit équipée d’un émetteur compatible pour signaler sa présence. Ainsi, cette solution ne permet pas de détecter des cibles non équipées ou des obstacles.
D’autres solutions sont basées sur des systèmes à détection radar ou optique mais sont généralement limitées à des infrastructures fixes au sol du fait de l’encombrement et du cout qu’entrainent ces équipements.
Il existe par ailleurs des solutions de type radar passifs qui ne nécessitent pas d’équipements spécifiques à bord de la cible à détecter.
Les méthodes dites de réflectométrie passive GNSS (GNSS-R) sont basées sur l’exploitation de signaux de radionavigation par satellite pour caractériser les mouvements de la couche terrestre pour des applications de géodésie ou géologie. Des antennes électroniques actives orientées vers le sol sont utilisées pour observer les signaux GNSS réfléchis sur le sol. Le récepteur GNSS utilisé possède typiquement deux voies de réception de signaux GNSS. Une première voie de réception est dédiée à la réception du trajet direct du signal émis par un satellite. Une seconde voie de réception est dédiée à la réception du signal GNSS réfléchi sur le sol.
Un exemple de méthode GNSS-R est décrit dans l’article « GNSS based passive radar for UAV monitoring », Ilioudis & all IEEERC-2019.
La méthode décrite dans cet article est basée sur une estimation du retard de propagation entre le trajet direct et le trajet réfléchi en utilisant deux canaux de réception, l’un correspondant à un signal de référence émis par le satellite et reçu directement par le récepteur et l’autre correspondant au signal émis par le satellite, réfléchi sur le sol et reçu par le récepteur ensuite.
La première voie de réception utilise une antenne omnidirectionnelle tandis que la seconde voie de réception nécessite une antenne directive pour mesurer l’écho du signal malgré les pertes de réflexion liées à la nature du sol.
Une telle approche est cependant difficilement envisageable lorsqu’il s’agit d’assurer une surveillance dans un rayon de 360° autour du récepteur car la seconde voie de réception nécessite une complexité accrue pour le traitement d’antenne afin de pouvoir scanner tout l’espace environnant.
L’invention propose une méthode de détection et localisation de cibles situées au voisinage d’un récepteur, qui exploite simultanément plusieurs sources de signaux d’opportunité non colocalisées, par exemple des satellites d’une constellation GNSS.
Les signaux émis par des satellites peuvent être réfléchis ou diffractés sur des objets (mobiles ou non) avant d’être interceptés par un récepteur. Compte tenu de la distance importante entre un satellite et l’objet à détecter, les pertes de propagation (ionosphérique et troposphérique) impactant le signal directement reçu par un récepteur et le signal réfléchi sur la cible sont communes. Seule la perte de propagation liée à la réflexion du signal sur la cible et à la propagation du signal réfléchi entre la cible et le récepteur sont à prendre en compte.
Ainsi, le retard entre les trajets directs et réfléchis est donc uniquement lié à la différence de parcours géométrique entre les deux trajets. Par ailleurs, les positions des différents émetteurs et du récepteur sont connues car les signaux GNSS fournissent directement la position du récepteur et permettent le calcul de la position des satellites au travers de leurs éphémérides.
L’invention permet de détecter et localiser une cible par la seule analyse d’un signal GNSS reçu sur une unique voie de réception sans nécessité d’une seconde voie de réception dédiée à la capture des signaux réfléchis sur la cible.
L’invention s’applique avantageusement pour un système de radionavigation par satellites mais s’applique plus largement pour tout système pour lequel un récepteur de signaux reçoit plusieurs signaux émis par des sources distinctes dont les positions sont connues. Par exemple, l’invention s’applique également à des systèmes de télécommunications, par exemple des systèmes 4G ou 5G pour lesquels les sources sont des antennes relais.
L’invention porte sur une méthode de détection passive d’une cible comprenant les étapes de :
- Recevoir plusieurs signaux à étalement de spectre émis par plusieurs sources d’émission distinctes, chaque signal étant associé à un code d’étalement différent,
- Définir un espace de recherche de la cible décomposé en une pluralité de cellules et, pour chaque cellule,
- Pour chaque signal reçu,
- Déterminer, au moins à partir du signal reçu, une première distance parcourue par un signal direct entre la source d’émission du signal et le récepteur,
- Déterminer au moins à partir du signal reçu, une seconde distance parcourue par un signal indirect entre ladite source d’émission, un point de la cellule et le récepteur,
- Déterminer un retard entre le signal indirect et le signal direct à partir de la différence entre la seconde distance et la première distance,
- Calculer une fonction d’intercorrélation entre le signal reçu et un code d’étalement local retardé du retard entre le signal indirect et le signal direct,
- Calculer une fonction d’autocorrélation entre le code d’étalement local et le code d’étalement local retardé du retard entre le signal indirect et le signal direct,
- Calculer la différence entre la fonction d’intercorrélation et la fonction d’autocorrélation et intégrer le résultat sur une durée prédéterminée,
- Sommer le résultat pour tous les signaux reçus,
- Pour chaque signal reçu,
- Rechercher au moins un extremum local des résultats dans l’espace de recherche, cet extrema étant associé à la détection d’une cible.
Selon une variante de réalisation, la méthode selon l’invention comprend en outre une étape de localisation de la cible détectée par interpolation des extrema locaux.
Selon un aspect particulier de l’invention, les cellules sont définies par des coordonnées en azimut et distance par rapport au récepteur.
Selon une variante de réalisation, la méthode selon l’invention comprend en outre une étape de calcul de moyenne de la somme du résultat sur la pluralité de signaux reçus, pour plusieurs cellules adjacentes.
Selon un aspect particulier de l’invention, la première distance et la seconde distance sont au moins déterminées à partir d’une information sur la position de ladite source et de la position du récepteur.
Selon un aspect particulier de l’invention, la position du récepteur est déterminée par triangulation.
Selon un aspect particulier de l’invention, le point de la cellule pour déterminer la seconde distance est le centre de la cellule.
Selon un aspect particulier de l’invention, le récepteur est embarqué dans un porteur.
Selon un aspect particulier de l’invention, les sources d’émission sont des satellites et les signaux reçus sont des signaux de radionavigation par satellite.
L’invention a aussi pour objet un dispositif de détection passive d’une cible comprenant un récepteur de signaux et une unité de calcul configurée pour exécuter les étapes de la méthode de détection selon l’invention.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.
Dans la suite de la description, l’invention est décrite dans le cadre d’un mode de réalisation appliqué à un récepteur de signaux de radionavigation par satellite. L’invention n’est cependant pas limitée à cette application comme cela sera explicité plus loin.
La schématise le principe général à la base de l’invention. Un objectif est de détecter et localiser une cible CI à proximité d’un récepteur REC de signaux de radionavigation par satellite. Le récepteur REC est par exemple embarqué dans un aéronef et la cible CI est, par exemple, un autre aéronef tel qu’un drone ou un obstacle lié à l’environnement.
Le récepteur REC reçoit des signaux de radionavigation de plusieurs satellites en visibilité SAT1,SAT2,SAT3. Les signaux sont reçus par le récepteur REC selon un trajet direct entre chaque satellite et le récepteur. On note D11,D12,D13 les distances respectives correspondant à ces trajets directs sur l’exemple de la .
Les signaux émis par les satellites peuvent également être reçus par le récepteur REC via des trajets secondaires issus d’une réflexion sur une cible CI. Ces trajets secondaires sont composés d’un premier trajet entre chaque satellite et la cible CI (de distance notée D21,D22,D23) et d’un second trajet entre la cible CI et le récepteur REC (de distance notée R).
Comme indiqué en préambule, le retard entre les trajets directs et les trajets secondaires, dans le signal reçu par le récepteur REC, est uniquement lié à la différence de parcours géométrique entre ces trajets.
On note ΔTi=(Di2+R-Di1)/c avec i=1,2 ou 3, les retards respectifs entre le trajet direct et le trajet secondaire pour chaque satellite SAT1,SAT2,SAT3. c est la vitesse de l’onde.
Le récepteur REC comporte une seule antenne pour recevoir à la fois les signaux directs et les signaux réfléchis sur la cible CI. Un objectif de l’invention est de détecter et localiser la cible CI à partir des signaux reçus sur cette seule antenne.
Le récepteur REC comporte des moyens de calcul (matériel et/ou logiciel) pour calculer une fonction d’intercorrélation entre le signal qu’il reçoit et une réplique d’un code d’étalement local, chaque code étant associé à un satellite.
La représente schématiquement le profil d’une fonction d’intercorrélation calculée par le récepteur REC lorsqu’il reçoit les signaux représentés à la .
La fonction d’intercorrélation comporte un premier pic d’intercorrélation ΓD11(0), ΓD21(0), ΓD31(0) pour chacun des satellites correspondant aux trajets directs D11,D21,D31 des signaux émis par les trois satellites respectifs. L’abscisse « 0 » sur l’axe des temps correspond à un retard de référence. Par ailleurs, cette fonction d’intercorrélation contient également trois pics secondaires ΓR1(δ1), ΓR2(δ2), ΓR3(δ3) correspondant aux trajets réfléchis sur la cible CI. Ces trois pics secondaires apparaissent pour des retards δ1, δ2, δ3différents pour chaque satellite.
Le niveau des pics secondaires est significativement plus faible que le niveau du pic principal et peut être situé en dessous des niveaux N1,N2,N3 des lobes secondaires associés au pic principal de corrélation. Ainsi, les trois pics secondaires ne sont pas aisément détectables en analysant simplement la fonction de corrélation calculée par le récepteur car leurs niveaux respectifs sont trop faibles pour être détectés.
L’invention a notamment pour objectif de résoudre cet inconvénient par une méthode qui permet de détecter et localiser une cible à partir de l’analyse des signaux reçus par le récepteur REC.
Le principe proposé par l’invention consiste à soustraire à la fonction d'intercorrélation calculée par le récepteur REC, une estimation théorique de la fonction d’autocorrélation entre le trajet direct du signal et le code local. De cette façon, on extrait uniquement les contributions des pics secondaires ΓR1(δ1), ΓR2(δ2), ΓR3(δ3) correspondant aux trajets réfléchis sur la cible CI qui permettent ensuite de détecter et de localiser la cible CI.
La schématise, sur un organigramme, les étapes de mise en œuvre d’un exemple de réalisation de la méthode selon l’invention.
La première étape 301 consiste à recevoir un signal de radionavigation par satellites.
L’espace de recherche d’une cible CI est décomposé en une pluralité de cellules, par exemples des cellules polaires définies selon une grille azimut-distance. La taille des cellules est choisie pour être compatible de la résolution de la fonction de corrélation spatiale du code d’étalement utilisé. La représente un exemple de décomposition de l’espace de recherche autour d’un porteur P.
Chaque cellule est définie par les coordonnées d’un de ses points, par exemple son centre.
Les étapes suivantes 302-307 de la méthode sont déterminées pour chaque cellule ckde l’espace de recherche et pour chaque satellite sien visibilité du récepteur.
A l’étape 302, on détermine la distance dd(si) parcourue par un trajet direct du signal GNSS entre chaque satellite siet le récepteur REC. Ce calcul est réalisé, par exemple, à partir d’éphémérides qui permettent de connaitre la position des satellites à un instant donné.
A l’étape 303, pour chaque cellule ckde l’espace de recherche et chaque satellite si, on détermine la distance dr(si,ck) parcourue par un trajet indirect du signal GNSS entre un satellite si, un point de la cellule cket le récepteur REC.
A l’étape 304, on détermine ensuite le retard entre la réception du trajet direct et du trajet indirect du signal, à l’aide de la relation suivante :
A l’étape 305, on calcule, pour chaque satellite et chaque cellule, la fonction d’intercorrélation entre le signal reçu et le code local retardé du retard calculé à l’étape 304 :
D(t)+R(t) désigne le signal reçu à l’étape 301 composé d’un trajet direct D(t) et d’un trajet indirect R(t).
L(t) désigne le code d’étalement local associé au satellite si.
L*(t) désigne le complexe conjugué de L(t).
E{} désigne la fonction de corrélation entre deux signaux temporels.
A l’étape 306, pour chaque satellite et chaque cellule, on calcule la fonction d’autocorrélation théorique du code local pour le retard déterminé à l’étape 304 :
A l’étape 307, on calcule la différence entre les résultats obtenus aux étapes 305 et 306 :
Cette différence correspond à une fonction d’intercorrélation corrigée de la fonction d’autocorrélation du trajet direct du signal. Autrement dit, elle correspond à la fonction d’intercorrélation limitée aux seuls trajets secondaires du signal et représentée par les pics secondaires ΓR1(δ1), ΓR2(δ2), ΓR3(δ3) sur la .
Pour chaque cellule, on intègre la fonction d’intercorrélation du signal d’écho calculée à l’étape 307, sur une durée Tccompatible de la durée d’intégration cohérente des mesures GNSS (typiquement de l’ordre de 20ms à 100ms) :
A l’étape 308, les fonctions d’intercorrélation corrigées sont accumulées sur l’ensemble des satellites, pour chaque cellule :
Dans une variante de réalisation, pour chaque cellule, on intègre en temps non-cohérent la fonction d’intercorrélation du signal d’écho, sur une durée Tnccompatible de la dynamique relative du porteur et de la cible (typiquement de 1s à 10s) :
A l’étape 309, on recherche sur l’ensemble des cellules de l’espace de recherche, au moins un extremum local dans le plan azimut-distance.
Dans une variante de réalisation, les positions précises des cibles sont affinées par interpolation parabolique dans le plan azimut-distance.
La schématise la localisation d’une cible dans le plan azimut-distances (axe des ordonnées) en fonction du retard sur la fonction de corrélation des trajets réfléchis sur la cible (axe des abscisses).
Chaque case azimut-distance correspond à une hypothèse de position de la cible. Une seule case correspond à la superposition simultanée de toutes les fonctions de corrélation correspondant aux différents satellites Γ1, Γ2, Γ3.
Dans une variante de réalisation, on associe dans le temps les positions détectées qui restent suffisamment stationnaires et on rejette les autres positions non stationnaires.
Dans une autre variante de réalisation, une phase de poursuite est mise en œuvre pour suivre le déplacement des cibles détectées dans le plan au cours du temps.
La décrit schématiquement un dispositif configuré pour mettre en œuvre l’invention. Un tel dispositif comporte un récepteur REC de signaux de radio-navigation par satellites et une unité de traitement UT pour exécuter la méthode selon l’invention.
Chacun des éléments du récepteur selon l’invention peut être réalisé sous forme logicielle et/ou matérielle à partir d’un processeur et une mémoire. Le processeur peut être un processeur générique, un processeur spécifique, un circuit intégré propre à une application (connu aussi sous le nom anglais d’ASIC pour « Application-Specific Integrated Circuit ») ou un réseau de portes programmables in situ (connu aussi sous le nom anglais de FPGA pour « Field-Programmable Gate Array »).
Bien que l’invention ai été décrite dans le contexte des systèmes de radionavigation par satellites, elle s’applique à l’identique pour d’autres systèmes radiofréquences pour lesquels des sources émettrices de positions connues émettent des signaux radiofréquences en direction d’un porteur. Par exemple, l’invention s’applique aux systèmes de télécommunication tels que les systèmes radio 4G ou 5G.
L’invention est adaptée à la détection passive et à la poursuite en azimut-temps de cibles détectées à proximité d’un porteur mobile ou non, sur la base de signaux d’opportunité à large bande ayant une capacité de mesure de temps d’arrivée, tel que les signaux GNSS, sans utilisation de moyens de détection actifs (par exemple radar).
A ce titre, l’invention utilise les capacités de localisation d’un récepteur déjà prévue pour sa propre localisation, et lui apporte les capacités supplémentaires de détection et localisation des mobiles situés à proximité, sans modification de son architecture et sans augmentation notable de sa complexité, les modifications apportées étant surtout d’ordre logicielles.
Elle ne nécessite pas de moyens supplémentaires et utilise directement des capacités de mesure propres aux signaux ambiants retenus pour extraire des mesures servant à la détection et à la localisation des mobiles.
La méthode selon l’invention permet également de traiter simultanément plusieurs cibles et de les poursuivre au cours du temps et n’est pas tributaire de la nature des signaux utilisée (applicable à toutes constellation GNSS par exemple) ce qui permettra de l’enrichir au fur et à mesure de la prise en compte de nouveaux signaux.
Elle permet l’extraction d’échos de faibles niveaux compatibles de la puissance réduite des signaux d’opportunités utilisés (GNSS ou autres) pour des cibles de faible indice de réflexion (par exemple des drones) distantes jusqu’à environ 600m à 1000m, sans l’utilisation d’antenne électronique active pour remonter le niveau des échos, ni de séparation entre des voies de réception des signaux directs et réfléchis.
L’invention peut également être utilisée pour le suivi du relief environnant selon différents plans de coupe.
Claims (10)
- Méthode de détection passive d’une cible comprenant les étapes de :
- Recevoir (301) plusieurs signaux à étalement de spectre émis par plusieurs sources d’émission distinctes, chaque signal étant associé à un code d’étalement différent,
- Définir un espace de recherche de la cible décomposé en une pluralité de cellules et, pour chaque cellule,
- Pour chaque signal reçu,
- Déterminer (302), au moins à partir du signal reçu, une première distance parcourue par un signal direct entre la source d’émission du signal et le récepteur,
- Déterminer (303), au moins à partir du signal reçu, une seconde distance parcourue par un signal indirect entre ladite source d’émission, un point de la cellule et le récepteur,
- Déterminer (304) un retard entre le signal indirect et le signal direct à partir de la différence entre la seconde distance et la première distance,
- Calculer (305) une fonction d’intercorrélation entre le signal reçu et un code d’étalement local retardé du retard entre le signal indirect et le signal direct,
- Calculer (306) une fonction d’autocorrélation entre le code d’étalement local et le code d’étalement local retardé du retard entre le signal indirect et le signal direct,
- Calculer (307) la différence entre la fonction d’intercorrélation et la fonction d’autocorrélation et intégrer le résultat sur une durée prédéterminée,
- Sommer (308) le résultat pour tous les signaux reçus,
- Pour chaque signal reçu,
- Rechercher (309) au moins un extremum local des résultats dans l’espace de recherche, cet extrema étant associé à la détection d’une cible.
- Méthode de détection passive d’une cible selon la revendication 1 comprenant en outre une étape de localisation de la cible détectée par interpolation des extrema locaux.
- Méthode de détection passive d’une cible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les cellules sont définies par des coordonnées en azimut et distance par rapport au récepteur.
- Méthode de détection passive d’une cible selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre une étape de calcul de moyenne de la somme du résultat sur la pluralité de signaux reçus, pour plusieurs cellules adjacentes.
- Méthode de détection passive d’une cible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la première distance et la seconde distance sont au moins déterminées à partir d’une information sur la position de ladite source et de la position du récepteur.
- Méthode de détection passive d’une cible selon la revendication 5 dans laquelle la position du récepteur est déterminée par triangulation.
- Méthode de détection passive d’une cible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le point de la cellule pour déterminer la seconde distance est le centre de la cellule.
- Méthode de détection passive d’une cible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le récepteur est embarqué dans un porteur.
- Méthode de détection passive d’une cible selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel les sources d’émission sont des satellites et les signaux reçus sont des signaux de radionavigation par satellite.
- Dispositif de détection passive d’une cible comprenant un récepteur de signaux et une unité de calcul configurée pour exécuter les étapes de la méthode de détection selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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| GRONOWSKI KONRAD ET AL: "First results of air target detection using single channel passive radar utilizing GPS illumination", 2019 IEEE RADAR CONFERENCE (RADARCONF), IEEE, 22 April 2019 (2019-04-22), pages 1 - 6, XP033616663, DOI: 10.1109/RADAR.2019.8835655 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4343379A1 (fr) | 2022-09-23 | 2024-03-27 | Marc Revol | Procédé et dispositif de détection d obstacles proches par radar passif multistatique gnss pour plateformes mobiles |
| FR3140177A1 (fr) | 2022-09-23 | 2024-03-29 | Marc Revol | Procédé et dispositif de détection d’obstacles proches par Radar Passif Multistatique GNSS pour plateformes mobiles |
| FR3140176A1 (fr) | 2022-09-23 | 2024-03-29 | Marc Revol | Procédé et dispositif de détection d’obstacles proches par Radar Passif Multistatique GNSS pour plateformes mobiles |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3114409B1 (fr) | 2022-08-05 |
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