FR3124604A1 - Total Electronic Content Estimation and Prediction Process - Google Patents
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Abstract
Pour permettre une meilleure cartographie de l’ionosphère, le procédé utilise les récepteurs GNSS bi-fréquences (110) embarqués par des aéronefs (109). Les signaux GNSS (111) sont collectés après avoir traversé l’ionosphère par l’antenne de réception (201) dudit récepteur GNSS. Figure d’abrégé : Fig. 1To allow better mapping of the ionosphere, the method uses dual-frequency GNSS receivers (110) on board aircraft (109). GNSS signals (111) are collected after passing through the ionosphere by the receiving antenna (201) of said GNSS receiver. Abstract figure: Fig. 1
Description
État de la technique antérieureState of the prior art
Les communications utilisant les radiofréquences entre la Terre et l’espace sont impactées par les scintillations de l’ionosphère (106) dont les effets dépendent notamment de l’activité solaire. En effet, le Soleil (104) émet des particules de hautes énergies et des radiations (105) qui ionisent une couche de la haute atmosphère appelé thermosphère (un milieu électriquement neutre), c’est ce phénomène d’ionisation qui est à l’origine de l’ionosphère [1] (106).Communications using radio frequencies between the Earth and space are impacted by scintillations from the ionosphere (106), the effects of which depend in particular on solar activity. Indeed, the Sun (104) emits high energy particles and radiation (105) which ionize a layer of the upper atmosphere called the thermosphere (an electrically neutral medium), it is this phenomenon of ionization which is origin of the ionosphere [1] (106).
Prédire les variations de l’ionosphère permet d’anticiper l’indisponibilités des communications radio entre la Terre et l’espace ou les erreurs de radionavigation par satellites [2].Predicting variations in the ionosphere makes it possible to anticipate the unavailability of radio communications between the Earth and space or errors in satellite radionavigation [2].
Dans le cas de la radionavigation, les satellites GNSS (101) émettent des signaux (102) vers le nadir à destination des utilisateurs (103) équipés de récepteurs qui peuvent déterminer leurs positions par triangulation grâce à l’analyse des signaux émis par au moins quatre satellites [3].In the case of radio navigation, the GNSS satellites (101) emit signals (102) towards the nadir intended for users (103) equipped with receivers which can determine their positions by triangulation thanks to the analysis of the signals emitted by at least four satellites [3].
Or les variations de densité de l’ionosphère retardent les signaux (102) émis par les satellites GNSS (101) qui traversent l’ionosphère (107). Le récepteur GNSS de l’utilisateur sur Terre (103) collecte les signaux GNSS incidents (108) et mesure par démodulation des signaux et par corrélation entre ces signaux avec une réplique du signal attendu, la pseudodistance entre sa position et le satellite visible de la constellation GNSS. Le retard de propagation dû à l’ionosphère introduit donc un biais de mesure dans ce procédé de positionnement et donc contribue à l’erreur de navigation [4].However, the density variations of the ionosphere delay the signals (102) emitted by the GNSS satellites (101) which cross the ionosphere (107). The user's GNSS receiver on Earth (103) collects the incident GNSS signals (108) and measures by demodulation of the signals and by correlation between these signals with a replica of the expected signal, the pseudodistance between its position and the satellite visible from the GNSS-constellation. The propagation delay due to the ionosphere therefore introduces a measurement bias in this positioning process and therefore contributes to the navigation error [4].
Pour limiter les erreurs de positionnement par satellite, l’homme de l’art mesure la densité de l’ionosphère par comparaison de phases entre deux signaux émis simultanément par un satellite GNSS et reçu par un récepteur capable de collecter simultanément et traiter ces signaux [5]. L’ionosphère est caractérisée par le contenu électronique total qui représente le nombre total d'électrons présents le long d'un tube d’un mètre carré de section.To limit satellite positioning errors, those skilled in the art measure the density of the ionosphere by comparing phases between two signals transmitted simultaneously by a GNSS satellite and received by a receiver capable of simultaneously collecting and processing these signals [ 5]. The ionosphere is characterized by the total electronic content which represents the total number of electrons present along a tube of one square meter in section.
L’ionosphère est caractérisée par des zones électriquement chargées (ions ou électrons), appelé aussi plasma. Lorsque des variations de densité ont lieu dans ce plasma, induites par exemple par les transitions jours/nuits, l’indice de réfraction du milieu évolue selon la formule d’Appleton-Hartee :The ionosphere is characterized by electrically charged areas (ions or electrons), also called plasma. When density variations take place in this plasma, induced for example by day/night transitions, the refractive index of the medium evolves according to the Appleton-Hartee formula:
Avec
Par conséquent lorsqu’une onde électromagnétique se propage dans le milieu elle est réfractée. Ce phénomène de réfraction dépend de la fréquence de l’onde électromagnétique et induit un retard de propagation, appelé retard ionosphérique, qui modifie la phase de l’onde électromagnétique.Therefore when an electromagnetic wave propagates in the medium it is refracted. This phenomenon of refraction depends on the frequency of the electromagnetic wave and induces a propagation delay, called ionospheric delay, which modifies the phase of the electromagnetic wave.
A partir de la mesure de phase d’au moins deux signaux émis simultanément et portés sur des fréquences différentes, l’homme de l’art peut estimer l’indice de réfraction et donc la densité électronique de la zone de l’ionosphère traversée par ces signaux [6].From the phase measurement of at least two signals emitted simultaneously and carried on different frequencies, those skilled in the art can estimate the refractive index and therefore the electron density of the zone of the ionosphere crossed by these signals [6].
Cependant, l’état de l’art utilise les récepteurs localisés sur les continents. L’ionosphère n’est donc pas caractérisée de manière globale, limitant la précision des services de prédiction du contenu électronique total.However, the state of the art uses receivers located on the continents. The ionosphere is therefore not comprehensively characterized, limiting the accuracy of total electronic content prediction services.
Description des figuresDescription of figures
Modes de réalisation détaillésDetailed embodiments
Pour permettre une meilleure cartographie de l’ionosphère, le procédé utilise les récepteurs GNSS bi-fréquences (110) embarqués par des aéronefs (109). Les signaux GNSS (111) sont collectés après avoir traversé l’ionosphère par l’antenne de réception (201) dudit récepteur GNSS.To allow better mapping of the ionosphere, the method uses dual-frequency GNSS receivers (110) on board aircraft (109). GNSS signals (111) are collected after passing through the ionosphere by the receiving antenna (201) of said GNSS receiver.
L’antenne de réception est interfacée (202) avec les circuits de réceptions et de démodulation (203) qui mesurent la phase des signaux sur au moins deux fréquences (par exemple les fréquences GPS L1 et L2). Le circuit de réception et de démodulation date et localise les mesures de phase au moyen d’une solution de navigation connue de l’homme de l’art [7].The reception antenna is interfaced (202) with the reception and demodulation circuits (203) which measure the phase of the signals on at least two frequencies (for example the GPS L1 and L2 frequencies). The reception and demodulation circuit dates and locates the phase measurements using a navigation solution known to those skilled in the art [7].
Le circuit de réception et de démodulation est interfacé (205) avec un serveur terminal (204) et lui transmet les informations de datation et localisation (206), la mesure de la phase (207) du signal porté par la première fréquence (par exemple L1) et la mesure de la phase (208) du signal porté par la seconde fréquence (par exemple L2).The reception and demodulation circuit is interfaced (205) with a terminal server (204) and transmits to it the dating and location information (206), the measurement of the phase (207) of the signal carried by the first frequency (for example L1) and the measurement of the phase (208) of the signal carried by the second frequency (for example L2).
Selon un autre mode de réalisation, le circuit de réception et de démodulation transmet au serveur terminal des mesures de phase de signaux portés sur plus de deux fréquences.According to another embodiment, the reception and demodulation circuit transmits to the terminal server phase measurements of signals carried on more than two frequencies.
Le serveur terminal transmet ces données par liaison sans fil (209) à un second serveur terminal (211) équipé d’une liaison sans fil (210).The terminal server transmits this data by wireless link (209) to a second terminal server (211) equipped with a wireless link (210).
Selon un autre mode de réalisation, le serveur terminal chiffre ou certifie les données avant de les transmettre.According to another embodiment, the terminal server encrypts or certifies the data before transmitting it.
Le second serveur terminal est interfacé à la plateforme ISSAN (213) au moyen d’un réseau (212) (par exemple internet).The second terminal server is interfaced to the ISSAN platform (213) by means of a network (212) (for example the Internet).
La plateforme ISSAN agrège les données (301) desdits récepteurs GNSS mais également les indices solaires et géomagnétiques qui traduisent l’activité solaire [Ajouter des références].The ISSAN platform aggregates data (301) from said GNSS receivers but also solar and geomagnetic indices that reflect solar activity [Add references].
Un algorithme de Machine Learning (308) utilise les données agrégées par ISSAN dont les mesures de phases des signaux portés par la première fréquence (305) et les mesures de phases des signaux portés par la seconde fréquence (306) qui sont datées et localisées (304). L’algorithme de Machine Learning est implémenté selon [8].A Machine Learning algorithm (308) uses the data aggregated by ISSAN including the phase measurements of the signals carried by the first frequency (305) and the phase measurements of the signals carried by the second frequency (306) which are dated and localized ( 304). The Machine Learning algorithm is implemented according to [8].
Dans un autre mode de réalisation, l’algorithme de Machine Learning utilise également les indices solaires (302) et les indices géomagnétiques (303).In another embodiment, the machine learning algorithm also uses solar indices (302) and geomagnetic indices (303).
L’algorithme de Machine Learning estime ou prédit le Contenu Electronique Total (402) selon la localisation et la date (401). La couverture globale des mesures de la densité de l’ionosphère permet d’améliorer l’estimation et la prédiction.The Machine Learning algorithm estimates or predicts the Total Electronic Content (402) based on location and date (401). The global coverage of ionospheric density measurements allows for improved estimation and prediction.
Revendiquer l’utilisation des mesures de phases, datées et localisés, de signaux GNSS émis simultanément par une station spatiale et reçus par un aéronef équipé d’un récepteur multi-fréquences pour estimer et prédire le Contenu Electronique Total.Claim the use of phase measurements, dated and localized, of GNSS signals emitted simultaneously by a space station and received by an aircraft equipped with a multi-frequency receiver to estimate and predict the Total Electronic Content.
Généraliser à d’autres récepteurs GNSS multi-fréquences (Porteurs = navires, voitures, téléphonie, etc).Generalize to other multi-frequency GNSS receivers (Carriers = ships, cars, telephony, etc.).
Généraliser à toute station qui émet des signaux sur des fréquences différentes.Generalize to any station that transmits signals on different frequencies.
Généraliser aux émissions de la Terre vers l’espace ou de l’espace vers la Terre.Generalize to emissions from Earth to space or from space to Earth.
Généraliser l’algorithme de Machine Learning à l’utilisation d’autres indices solaires et géomagnétiques pour améliorer la précision.Generalize the Machine Learning algorithm to the use of other solar and geomagnetic indices to improve accuracy.
BibliographieBibliography
[1] Bothmer, V., & Daglis, I. A. (2007). Space weather: physics and effects. Springer Science & Business Media.[1] Bothmer, V., & Daglis, I.A. (2007). Space weather: physics and effects. Springer Science & BusinessMedia.
[2] ITU (2019). Recommandation UIT-R P.531-14 : Données de propagation ionosphérique et méthodes de prévision requises pour la conception de réseaux à satellite et de systèmes à satellites[2] ITU (2019). Recommendation ITU-R P.531-14: Ionospheric propagation data and prediction methods required for the design of satellite networks and satellite systems
[3] Elliott Kaplan and Christopher J. Hegarty. 2017. Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications, Third Edition (3rd. ed.). Artech House, Inc., USA.[3] Elliott Kaplan and Christopher J. Hegarty. 2017. Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications, Third Edition (3rd ed.). Artech House, Inc., USA.
[4] McGraw, Gary A., Murphy, Tim, Brenner, Mats, Pullen, Sam, Van Dierendonck, A. J., "Development of the LAAS Accuracy Models," Proceedings of the 13th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 2000), Salt Lake City, UT, September 2000, pp. 1212-1223.[4] McGraw, Gary A., Murphy, Tim, Brenner, Mats, Pullen, Sam, Van Dierendonck, A. J., "Development of the LAAS Accuracy Models," Proceedings of the 13th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GPS 2000), Salt Lake City, UT, September 2000, p. 1212-1223.
[5] Michal, Debra P., Klotz, Harold A., Jr., Hoven, Randall M., "A Systems Approach to Ionospheric Delay Compensation," Proceedings of IEEE/ION PLANS 2006, San Diego, CA, April 2006, pp. 275-282.[5] Michal, Debra P., Klotz, Harold A., Jr., Hoven, Randall M., "A Systems Approach to Ionospheric Delay Compensation," Proceedings of IEEE/ION PLANS 2006, San Diego, CA, April 2006, p.p. 275-282.
[6] Mannucci, A. J., Wilson, B. D., Yuan, D. N., Ho, C. H., Lindq-Wister, U. J., and Runge, T. F. (1998). A global mapping technique for gps-derived ionospheric total electron content measurements. Radio Science, 33(3) :565–582.[6] Mannucci, A. J., Wilson, B. D., Yuan, D. N., Ho, C. H., Lindq-Wister, U. J., and Runge, T. F. (1998). A global mapping technique for gps-derived ionospheric total electron content measurements. Radio Science, 33(3):565–582.
[7] E. D. Kaplan and C. J. Hegarty, “Understanding GPS: Principles and Applications,” 3rd Edition, Artech House Inc., Norwood, 2017.[7] E. D. Kaplan and C. J. Hegarty, “Understanding GPS: Principles and Applications,” 3rd Edition, Artech House Inc., Norwood, 2017.
[8] Cheng, N.; Song, S.; Li, W. Multi-Scale Ionospheric Anomalies Monitoring and Spatio-Temporal Analysis during Intense Storm. Atmosphere 2021, 12, 215. https://doi.org/10.3390/atmos12020215[8] Cheng, N.; Song, S.; Li, W. Multi-Scale Ionospheric Anomalies Monitoring and Spatio-Temporal Analysis during Intense Storm. Atmosphere 2021, 12, 215. https://doi.org/10.3390/atmos12020215
Claims (1)
Généraliser à d’autres récepteurs GNSS multi-fréquences (Porteurs = navires, voitures, téléphonie, etc).
Généraliser à toute station qui émet des signaux sur des fréquences différentes.
Généraliser aux émissions de la Terre vers l’espace ou de l’espace vers la Terre.
Généraliser l’algorithme de Machine Learning à l’utilisation d’autres indices solaires et géomagnétiques pour améliorer la précision.- Claim the use of phase measurements, dated and localized, of GNSS signals emitted simultaneously by a space station and received by an aircraft equipped with a multi-frequency receiver to estimate and predict the Total Electronic Content.
Generalize to other multi-frequency GNSS receivers (Carriers = ships, cars, telephony, etc).
Generalize to any station that transmits signals on different frequencies.
Generalize to emissions from Earth to space or from space to Earth.
Generalize the Machine Learning algorithm to the use of other solar and geomagnetic indices to improve accuracy.
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FR3061560B1 (en) * | 2016-12-29 | 2020-10-23 | Thales Sa | PROCESS FOR OPTIMAL ADJUSTMENT OF GIVE ERROR TERMINALS OR OPTIMUM CALCULATION OF IGP POINT RESIDUE VARIANCES OF AN IONOSPHERIC CORRECTION GRID OF AN SBAS SYSTEM AND SBAS SYSTEM FOR IMPLEMENTING THE SAID PROCESS |
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