WO2018108723A1 - Procede de realisation d'un ensemble d'antennes de goniometrie et ensemble antennaire realise selon un tel procede - Google Patents

Procede de realisation d'un ensemble d'antennes de goniometrie et ensemble antennaire realise selon un tel procede Download PDF

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WO2018108723A1
WO2018108723A1 PCT/EP2017/081957 EP2017081957W WO2018108723A1 WO 2018108723 A1 WO2018108723 A1 WO 2018108723A1 EP 2017081957 W EP2017081957 W EP 2017081957W WO 2018108723 A1 WO2018108723 A1 WO 2018108723A1
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WO
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antennas
configuration
arrival
configurations
antenna array
Prior art date
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PCT/EP2017/081957
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Luc Bosser
Serge GUELGUELIAN
Renaud SAADA
Antoine DUMARQUEZ
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Thales
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0087—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array

Definitions

  • the subject of the present invention is a method for producing a set of direction-finding antennas and an antenna assembly produced according to such a method.
  • the invention applies in particular in the field of the detection of electronic warfare radio signals (Electronic Support in English), these signals being able to come from radars, telecommunication transmitters or any other device radiating such a signal.
  • the invention more particularly relates to direction-finding and more specifically to a method of manufacturing a set of direction finding antennas capable of measuring the direction of arrival of a radio signal.
  • the invention also relates to a set of direction finding antennas produced according to such a method.
  • a first category concerns the characteristics of the antennas used to construct the set of direction-finding antennas. For each antenna, we have its gain (amplitude and phase) as a function of the arrival direction, the frequency and the incident radio signal polarization.
  • a second category relates to the geometric constraints, on the carrier platform, of placement of the set of direction-finding antennas, including the relative positions of the antennas. These constraints describe at least the area covered by each antenna and the maximum area imparted to house the set of direction finding antennas. In fact, there is minimal spacing between antennas.
  • a third category describes the performance to be achieved by the user device of the set of direction finding antennas. These include spatial, frequency and polarization coverage, accuracy and rate of direction finding ambiguities. Subsequently, we will speak of ambiguity of direction finding. This problem exists when the set of direction finding antennas has two similar or very similar responses for two sufficiently different directions of arrival. This is due in principle to the fact that a phase shift is measured only a whole number of times 2 ⁇ . Thus when two antennas are not less than half a wavelength away from an incident signal, the geometrical phase shift between phase centers of the antennas, which may exceed 2 ⁇ , will be measured with ambiguity and the direction of arrival that the goniometer will provide will be ambiguous.
  • interferometry technique uses only the phase shifts between antennas without taking amplitude into account. Insofar as the amplitude would have a sense of the definition of the constituent antennas, it would be wise to use this amplitude to improve the direction of arrival measurements.
  • sets of interferometric direction finding antennas, or interferometry bases are very generally antennas aligned in the desired angular measurement plane. If the direction of arrival of the incident radio signal is in a plane inclined with respect to this measurement plane, then the measurement can be very wrong.
  • An object of the invention is in particular to correct all or part of the disadvantages of the prior art by proposing a solution for estimating the direction of arrival of an incident signal in two dimensions.
  • the subject of the invention is a method for manufacturing a set of direction-finding antennas in two dimensions comprising at least three antennas, comprising a phase of determining the optimum configuration of said set from among a list of possible configurations, a configuration being defined by the gain, the pointing direction and the position within said set of each of said antennas, said phase comprises at least:
  • a step of defining a reference antenna array said network covering a surface having a site and / or deposit dimension inversely proportional to a level of precision required in the site and / or in the deposit for the estimation; arrival directions of the incident waves, and comprising a plurality of elementary antennas, said elementary antennas being distributed in a regular mesh, the distance separating two adjacent elementary antennas being substantially equal to the half-wavelength associated with the maximum frequency of a range of frequencies of interest , the number of antennas of said reference antenna array being greater than the number of antennas of said set, the spacing between the extreme antennas of said array being greater than or equal to the spacing between the extreme antennas of said set along the axis of deposit and / or the axis of site,
  • said set of direction-finding antennas being intended for direction of arrival of radio signals incident signals not dependent on the polarization of these said signals, the evaluation quantity associated with a configuration is equal to the maximum value of a correlation function F Cor (0 lJ 0 2 ) according to two directions of arrival where 0 !
  • said antenna assembly being intended for arrival direction measurements of radioelectric signals incident on the polarization of said signals, the evaluation quantity associated with a configuration is equal to the maximum value of the signals.
  • U Hnorm (Q, At min ) and U Vnorm (Q, At min ) are two vectors forming an orthonormal basis of the plane generated by the two pointing vectors U H (Q, A min ) and U v (Q, A min) ) the set of direction finding antennas at the minimum wavelength, in horizontal and vertical linear polarization respectively,
  • the sign * corresponds to the transposed and conjugated transformation.
  • the list of configurations to be considered corresponds for example to the complete list of possible configurations.
  • the list of configurations to be considered corresponds for example to a random draw of a predetermined number of configurations from the complete list of possible configurations.
  • the positions in the possible configurations of the antennas of the set of direction finding antennas are for example aligned on said mesh.
  • Said reference antenna array is for example an array of radiating elements, each antenna of said set of direction finding antennas being made from a sub-network of said network.
  • the invention also relates to a set of direction finding antennas obtained by such a method.
  • FIG. 1 illustrates a definition of the geometric reference used and the particular angles of the deposit and the site
  • FIG. 2 represents possible steps in the design of a set of direction finding antennas in two dimensions
  • FIG. 3 represents an exemplary embodiment of a set of two-dimensional direction finding antennas in the case of non-dependence of the polarization
  • FIG. 4 represents an exemplary embodiment of a set of two-dimensional direction finding antennas in the case of polarization dependence (polarization diversity case);
  • FIGS. 5a and 5b are graphical representations of the correlation functions of the set of direction finding antennas corresponding to the configuration materialized in FIG. 3 and of the reference antenna array, respectively Cor (0 1J 0 2 ) and
  • FIG. 6 illustrates a definition of the geometric reference used with a plurality of polarization diversity direction finding antennas
  • FIG. 7 is a graphical representation of the generalized correlation (matrix computation) of the set of polarization diversity goniometry antennas shown in FIG. 6;
  • FIGS. 8a and 8b respectively represent a configuration of a set of direction-finding antennas designed according to the invention and the graph of the correlation function illustrating the results obtained for this configuration;
  • FIGS. 9a and 9b respectively represent a configuration of a set of polarization diversity direction finding antennas designed according to the invention and the graph of the generalized correlation illustrating the results obtained for this configuration.
  • the present invention relates to a method of producing a set of direction finding antennas that can work in two angular dimensions, for example deposit and site. If necessary, the method is obviously applicable with only one angular dimension.
  • FIG. 1 shows that, for any direction of arrival, represented by an arrival direction line 1 1, the bearing is the angle formed by the line 11 0, corresponding to the projection of the direction line of FIG. arrival on the horizontal plane, and a reference axis in this horizontal plane (or line of faith, for example the normal to an antenna alignment plane).
  • the site is the angle formed by the direction of arrival direction 11 and its projection 1 10 on the horizontal plane.
  • the set of direction finding antennas can be made from conventional non-network antennas (spiral, winding, butterfly, horn, etc., etc.) as well as from a network antenna in which one defines a set of sub-networks, this set forming said set of direction finding antennas.
  • the assembly is then made from beams formed with sub-networks of an array of elementary antennas.
  • the method according to the invention comprises a phase of finding the optimal configuration of the set of direction finding antennas followed by a production phase from this optimum configuration.
  • each constituent antenna within the set that is to say the gain function of the direction of arrival, the frequency and the polarization, the phase center position and pointing direction, regardless of the mode embodiment with conventional antennas or with formed beams.
  • This exhaustive definition of a configuration can, however, be simplified as will be seen later.
  • the method according to the invention comprises, for example, the following steps presented in FIG. 2:
  • the first step of defining a reference antenna array consists of defining a plurality of K identical elementary antennas, whose phase centers are regularly arranged on a mesh surface.
  • the distance between two adjacent antennas of the network must be substantially less than the minimum half-wavelength, the minimum wavelength ⁇ min corresponding to the maximum working frequency f max , which is the maximum frequency of a range of frequencies of interest, specific to each application.
  • the lengths of the network, in the horizontal and vertical section planes, are inversely proportional to the direction finding accuracies respectively in deposit and in site.
  • the number of antennas of the reference antenna array is greater than the number of antennas of the antenna set.
  • the spacing between the extreme antennas of the reference antenna array is greater than or equal to the spacing between the extreme antennas of the set of antennas, regardless of the considered axis, site or deposit.
  • this mesh surface is not necessarily flat, it may for example be cylindrical. However, a simplified variant may be a flat mesh surface.
  • This reference antenna array is a simple calculation device in the method in the case where the set of direction finding antennas is made with conventional antennas.
  • this reference antenna array can correspond concretely to the network of elementary antennas with which the sub-networks are made. networks generating said formed beams.
  • the second step of defining the configurations to be considered is to provide the third step with a configuration list to be evaluated so that the fourth step can choose, among them, the best one criterion on the magnitude used to evaluate each configuration.
  • a configuration corresponds to the physical definition of a set of direction finding antennas, this set comprising N antennas, N being an integer greater than or equal to 2.
  • This physical definition corresponds, for each of the N constituent antennas in the the most general case, the gain depending on the direction of arrival, the frequency and the polarization, the position of the center of phase and the direction of pointing. This is valid regardless of the embodiment, with conventional antennas or with formed beams.
  • the antenna gain (function of the direction of arrival, of the frequency and the polarization) is a definition with goal of generalization. Indeed, for common use cases, it will not tend to use constituent antennas different from each other, except in polarization response for reasons of polarization diversity.
  • the antennas must not interfere mechanically or hide, they can not overlap.
  • the antennas could overlap to the extent that the beam formations by sub-network would allow it; it's a technical question of specifications.
  • the reference antenna array defined in the first step, provides the regular mesh of the implantation surface of the phase centers of the K antennas constituting this network, with a mesh pitch d substantially less than the half-length of minimum wave At min / 2.
  • FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment of a set of direction finding antennas 30 as well as the possible positions of each of the phase centers of the antennas thus produced with the subarrays 31.
  • the possible locations 31 1 of the phase centers 31 0 of each of the antennas 31 have been represented.
  • a list of all the possible configurations of the set of direction-finding antennas can be constituted, establishing all the possible combinations taking into account the constraints and the specifications. .
  • the list of configurations to be evaluated can be established by randomly selecting, in the set of possible configurations, a number of configurations restricted to the totality possible.
  • This mode is intended to avoid too many configurations to evaluate in the third step, if the application is constrained in execution time. Since the configurations are limited to the positions of the phase centers of the antennas, it is interesting to note that a random draw will reproduce the statistic of irregularity of the configurations, so that we can have, in the list thus restricted, a configuration sufficiently irregular to have a level of ambiguities directionality sufficiently low.
  • the third step is based on an evaluation of the maximum level of direction finding ambiguities produced by each direction finding antenna set configuration, each evaluated configuration having been defined in the second step.
  • Direction finding ambiguity corresponds to identical arrival direction measurements for different actual arrival directions.
  • an ambiguity goniometry corresponds to near arrival direction measurements for real arrival directions sufficiently distant.
  • the level of direction finding ambiguities can be evaluated by correlating the arrival direction measurements made by a set of direction finding antennas in a given direction of arrival domain, removing from this domain the cases for which the correlation arrival direction measurements are normal, which is reflected by the correlation of the arrival direction measurements of the reference antenna array that produces an ideal response.
  • the correlation can be supported by a more or less generalized correlation function calculation depending on whether or not the arrival direction measurements depend on the polarization of the radio signals to be processed.
  • the coverage domain is the arrival direction domain for which the direction finding antenna set can receive radio signals.
  • the field of interest is given by the specifications, it is at most equal to the field of coverage, it is generally restricted compared to the latter.
  • the first case is where the direction of arrival measurements made with the direction finding antenna array do not depend on the polarization of the incident radio signals.
  • the correlation is expressed by a simple correlation function.
  • the maximum level of ambiguities of a set of direction finding antennas, associated with a given configuration corresponds to the maximum value of the correlation function of said set max & 1) & 2 (F Cor Q 1 , Q 2 ) where 0 ! and 0 2 are two directions of arrival scanning the coverage domain for the one and the domain of interest for the other (the assignment of the domains to 0 !
  • a predetermined threshold S Ref 0.5.
  • the correlation functions F Cor (0 lJ 0 2 ) and F CorRé (0 1 , 0 2 ) are expressed respectively from the vector of pointing (or steering vector in English) of the set of direction finding antennas U ( Q, A min ) and the pointing vector of the reference antenna array U Ref (Q, A min ):
  • P antennas, U G ⁇ Q, X is a unit vector comprising P components, whose p-th component is proportional to the response of the p-th antenna, in amplitude and phase,
  • a G p ⁇ Q, X) p ⁇ D G Q, X) e ⁇ OM c pu (0) where, as shown in Figure 1:
  • - D G p ®, X is the radiation pattern or gain (amplitude and phase) of the p-th antenna group G in the direction of arrival 0 and the wavelength ⁇ ;
  • u (0) is the unit vector carried by the arrival direction 0; - e i-- ° M G , v -um represents the phase shift term related to the position of the phase center of the p-th antenna in the group G.
  • the pointing vector U G ®, X) can express itself as the ratio of the vector A G ⁇ Q, X), whose p-th component is A G p ®, X), to its Euclidean norm
  • ⁇ A * G ⁇ Q, X) ⁇ A G (Q, X), A * G (Q, X) is the conjugate transposed vector of the vector G ® A, X).
  • the pointing vector U ⁇ Q, min is obtained by applying the above to the N antennas of the set of direction finding antennas.
  • the pointing vector U ref (Q, min ) is obtained by applying the above to the K antennas of the reference antenna array.
  • the gains D ref k ®, X) can be replaced by 1.
  • these gains D Ref k ⁇ Q, X) can be replaced by weighting coefficients P k different from one antenna to another, in order not to penalize a configuration of the set of direction finding antennas offering a level of ambiguities less at the cost of a slight degradation on the direction of arrival accuracy.
  • the second case is where the direction of arrival measurements made with the set of direction finding antennas depend on the polarization of the radio signals, both for reasons of polarization diversity of the incident radio signals and for reasons of response.
  • polarization of the constituent antennas When the set of direction finding antennas must be able to process a polarization diversity of incident signals, it is necessary to use constituent antennas that can form a polarization decomposition base, which is preferably orthogonal. For example, horizontally adapted linear polarization antennas and perpendicular vertically adapted polarization antennas are conventionally used. But it can also be adapted right circular polarization antennas and left circular adapted polarization antennas.
  • the correlation at the set of direction finding antennas is assessed with the matrix product ⁇ * ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) ⁇ ⁇ ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) and the maximum level of ambiguities corresponds to the greatest eigenvalue of this matrix product:
  • VPmax means maximum eigenvalue
  • ⁇ ( ⁇ 1 , ⁇ 2 ) is a square matrix 2 x 2;
  • U Hnorm (Q, to min ) and U Vnorm (Q, to min ) are two vectors forming an orthonormal basis of the plane generated by the two pointing vectors U H (Q, A min ) and U v ®, min ) of the set of direction finding antennas at the minimum wavelength, respectively in horizontal rectilinear polarization (H) (corresponding to an electric field collinear with the vector ⁇ H Q) of FIG.
  • said vector being an orthogonal unitary vector at the direction of arrival direction defined by ⁇ and located in the local horizontal plane of the set of direction finding antennas) and in vertical rectilinear polarization (V) (corresponding to an electric field collinear with the vector u v ⁇ & 4), said vector being a unit vector orthogonal to the arrival direction line defined by ⁇ and located in the local vertical plane, including the direction of arrival direction, of the set of direction finding antennas ), which can take the following form, for example nte:
  • the pointing vectors U H (Q, A min ) and U v ®, min ) are unit vectors comprising N components because they correspond to the set of direction finding antennas which has N antennas, their nths components are proportional to the responses, in amplitude and phase, of the n-th antennas respectively in horizontal polarization
  • D H n ,, X) and D V n (Q, X) are the radiation patterns or gains (amplitude and phase) of the nth antenna of the set of direction finding antennas in the direction of arrival ⁇ , at the wavelength ⁇ and respectively in horizontal rectilinear polarization and in vertical rectilinear polarization;
  • M n is the position in the space of the phase center of the nth antenna of the set of direction finding antennas with respect to an origin 0;
  • u (0) is the unit vector carried by the direction of arrival ⁇ ;
  • the fourth step of determining the best configuration consists in retaining the configuration of the set of direction finding antennas having the lowest level of ambiguities among those calculated in the third step, and less than a predetermined threshold S max .
  • This threshold makes it possible to ensure that the maximum level of ambiguities is sufficiently low for the quality of direction finding and, if necessary if it is not so, to repeat the process according to the invention from the first step in necessarily releasing some constraints such as, for example, the number of direction finding antennas N, that is to say by increasing it.
  • the preferred values of the threshold S max are less than or equal to 0.9.
  • Figures 5a and 5b illustrate the phenomenon of directionality ambiguities by the graphical representation of the correlation function.
  • the direction of arrival ⁇ is restricted to the 9 g deposit, the 9 S site is assumed to be zero.
  • the deposit scales are also in sinus of the deposit.
  • the N goniometry antennas have the same radiation pattern pointed in the same direction and are regularly spaced at a step AL along the y axis (horizontal), and therefore constitute a set of antennas naturally ambiguous for the length of minimum wave At min .
  • the thickness of the straight lines 50, 51 reflects the attainable accuracy on the arrival direction estimation.
  • the thickness of these lines reflects the speed at which the pointing vectors are decorrelated as one moves away the directions of arrival.
  • the arrival direction accuracy derives directly from this decorrelation rate, itself related to the geometric dimensions of the set of direction finding antennas.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of a set of direction finding antennas 70 with polarization diversity and the possible positions of these antennas 71, 72.
  • FIG. 3 in order not to overload the figure, only the FIG. possible locations 730 of the phase centers 73 of each of the direction-finding antennas 71, 72 have been represented.
  • the materialized configuration is directly inspired by the materialized configuration of the set of monopolarization antennas of FIG. 3 and each antenna 71, 72 is aligned in a regular mesh.
  • the set of polarization diversity goniometry antennas 70 comprises twice as many antennas distributed on the same surface to achieve the same direction of arrival accuracy as in the configuration shown in FIG.
  • antennas 71 have a horizontal rectilinear adapted polarization and the other half antennas 72 has a vertically adapted linear polarization.
  • the antennas 71 are of appropriate polarization orthogonal to that of the antennas 72, and these antennas 71, 72 may be arranged in any way to form the set of direction finding antennas provided that as many antennas 71 only antennas 72.
  • the antennas forming the set of direction-finding antennas can be arranged in checkerboard by alternating an antenna 71 and an antenna 72.
  • this dual-polarization architecture allows:
  • the set of polarization diversity goniometry antennas 70 is made up of double antennas, called bipolarization, and comprising two orthogonal adapted polarization antennas whose phase centers are identical to imperfections.
  • the number of bipolarization antennas is identical to that of a monopolarization antenna assembly.
  • the regular disposition of the antennas 71, 72 causes ambiguities of maximum level.
  • FIG. 7 shows two times less straight lines, which is normal because the spacing along the y-axis (horizontal) between two successive antennas is decreased. in a two report.
  • FIG. 8a gives an exemplary configuration of a set of direction-finding antennas 80 designed according to the invention. This configuration was selected from a list of ten thousand possible configurations obtained by a succession of random draws. For a direction of arrival direction of interest comprising deposits between -15 and +15 degrees and sites between -10 and +10 degrees, the correlation function F Cor (0 lJ 0 2 ) is less than 0.75 .
  • FIGS. 5a and 8b makes it possible to highlight the significant reduction in the level of ambiguities of the set of antennas of direction finding, the direction of arrival accuracy being unchanged.
  • FIG. 9a gives an exemplary configuration of a set of direction finding antennas 90 with polarization diversity designed according to the invention. This configuration was selected from a list of one million possible configurations obtained by a succession of random draws. For a direction of arrival direction of interest including deposits between -15 and +15 degrees and sites between -10 and +10 degrees, the correlation function Cor (0 1 , 0 2 ) is less than 0.85 .
  • FIGS. 7 and 9b makes it possible to highlight the significant reduction of the level of ambiguities of the direction finding antenna assembly, the direction of arrival accuracy being unchanged.

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Abstract

La présente invention concerne le domaine de l'interception de signaux électromagnétiques. Elle concerne plus particulièrement un procédé de fabrication d'un ensemble d'antennes de radiogoniométrie selon deux dimensions comprenant une étape de conception dudit ensemble d'antennes à partir de contraintes prédéterminées, ladite étape de conception comprenant : - Une étape (21) de définition d'un réseau d'antennes de référence, - Une étape (22) de recherche de configurations à prendre en considération de chacune des antennes formant un ensemble d'antennes de goniométrie, - Une étape (23) de quantification du niveau maximum d'ambiguïtés de chacune des configurations possibles à partir d'une fonction de corrélation afin d'associer à chacune des configurations considérée une grandeur d'évaluation, - Une étape (24) de recherche et de sélection de la configuration présentant la grandeur d'évaluation la plus faible.

Description

Procédé de réalisation d'un ensemble d'antennes de goniométrie et ensemble antennaire réalisé selon un tel procédé
La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un ensemble d'antennes de goniométrie et un ensemble antennaire réalisé selon un tel procédé. L'invention s'applique notamment dans le domaine de la détection des signaux radioélectriques en guerre électronique {Electronic Support en anglais), ces signaux pouvant provenir de radars, d'émetteurs de télécommunication ou de tout autre dispositif rayonnant un tel signal.
L'invention concerne plus particulièrement la radiogoniométrie et plus précisément un procédé de fabrication d'un ensemble d'antennes de goniométrie apte à mesurer la direction d'arrivée d'un signal radioélectrique. L'invention concerne également un ensemble d'antennes de goniométrie réalisé selon un tel procédé.
D'une façon générale, les applications en guerre électronique s'intéressent à des signaux très brefs, c'est particulièrement vrai pour les signaux radar. Cela conduit à des réalisations de goniomètres s'appuyant nécessairement sur un ensemble de plusieurs antennes fixes qui, illuminées par le signal radioélectrique intéressant, vont délivrer un jeu de signaux saisis en même temps, ce jeu étant porteur de la direction d'arrivée (Direction Of Arrivai ou DOA en anglais) dudit signal. Plusieurs estimateurs existent pour calculer la direction d'arrivée. Avant de calculer, un besoin est d'acquérir ce jeu de signaux, ce qui implique autant de chaînes de réception que d'antennes. Les chaînes de réception étant des entités matérielles relativement coûteuses, il est donc important d'optimiser leur nombre, c'est- à-dire de concevoir des ensembles d'antennes de goniométrie pour lesquels on cherche soit à maximiser les performances à nombre d'antennes donné, soit à minimiser le nombre d'antennes à performances données.
La conception d'un ensemble d'antennes de goniométrie doit généralement respecter un cahier des charges fixant les exigences, celles-ci pouvant être exprimées selon trois catégories :
- Une première catégorie concerne les caractéristiques des antennes utilisées pour construire l'ensemble d'antennes de goniométrie. Pour chaque antenne, on dispose de son gain (amplitude et phase) en fonction de la direction d'arrivée, de la fréquence et de la polarisation de signal radioélectrique incident. - Une deuxième catégorie concerne les contraintes géométriques, sur la plate-forme porteuse, de placement de l'ensemble d'antennes de goniométrie, y compris les positions relatives des antennes. Ces contraintes décrivent au moins la surface couverte par chaque antenne et la surface maximale impartie pour loger l'ensemble d'antennes de goniométrie. De fait, il existe un espacement minimal entre antennes.
- Une troisième catégorie décrit les performances à atteindre par le dispositif utilisateur de l'ensemble d'antennes de goniométrie. Parmi celles-ci, les couvertures spatiale, fréquentielle et en polarisation, la précision et le taux d'ambiguïtés de goniométrie. Par la suite, on parlera d'ambiguïté de goniométrie. Ce problème existe quand l'ensemble d'antennes de goniométrie présente deux réponses semblables, ou très fortement ressemblantes, pour deux directions d'arrivée suffisamment différentes. Cela est dû par principe au fait qu'un déphasage n'est mesuré qu'à un nombre entier de fois 2π près. Ainsi quand deux antennes ne sont pas distantes de moins d'une demi-longueur d'onde d'un signal incident, le déphasage géométrique entre centres de phases des antennes, pouvant dépasser 2π, sera mesuré avec ambiguïté et la direction d'arrivée que le goniomètre fournira sera ambiguë.
Ce problème est bien connu dans les interféromètres. Une solution consiste alors à utiliser une disposition irrégulière des antennes pour faire varier l'espacement angulaire des ambiguïtés d'un couple d'antennes à l'autre. Une disposition judicieuse des antennes permet ainsi finalement d'exploiter la redondance de l'information mesurée par les différents couples d'antennes pour déterminer sans ambiguïté la direction d'arrivée.
Cette technique d'interférométrie, bien connue, exploite uniquement les déphasages entre antennes sans tenir compte de l'amplitude. Dans la mesure où l'amplitude aurait un sens de par la définition des antennes constitutives, il serait judicieux d'utiliser cette amplitude pour améliorer les mesures de direction d'arrivée. De plus, les ensembles d'antennes de goniométrie interférométrique, ou bases d'interférométrie, sont très généralement des antennes alignées dans le plan de mesure angulaire désiré. Si la direction d'arrivée du signal radioélectrique incident se trouve dans un plan incliné par rapport à ce plan de mesure, alors la mesure peut être très erronée. C'est pourquoi, on est obligé de compenser en site un interféromètre en gisement dès lors qu'il doit travailler dans une gamme de sites suffisamment importante au regard de sa précision en gisement ; il faut alors ajouter, par exemple, à un interféromètre en gisement, un goniomètre en site qui peut aussi être un interféromètre. Dans un tel cas, toutes les antennes ne participent pas directement à l'estimation des deux angles mais indirectement par correction. Ce type de solution est donc mal adapté pour dimensionner un ensemble d'antennes de goniométrie dans lequel toutes les antennes sont mises à profit directement pour estimer conjointement les deux angles. Par ailleurs, cette technique se prête aussi difficilement à l'élaboration d'un ensemble d'antennes de goniométrie dans lequel les antennes présentent des polarisations adaptées différentes, puisque la différence de phase entre deux antennes n'est alors plus liée à la seule direction d'arrivée, mais dépend également de la polarisation du signal radioélectrique incident.
Un but de l'invention est notamment de corriger tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution permettant d'estimer la direction d'arrivée d'un signal incident selon deux dimensions. À cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un ensemble d'antennes de goniométrie selon deux dimensions comprenant au moins trois antennes, comportant une phase de détermination de la configuration optimale dudit ensemble parmi une liste de configurations possibles, une configuration étant définie par le gain, la direction de pointage et la position au sein dudit ensemble de chacune desdites antennes, ladite phase comporte au moins :
- Une étape de définition d'un réseau d'antennes de référence, ledit réseau couvrant une surface ayant une dimension en site et/ou en gisement inversement proportionnelle respectivement à un niveau de précision requis en site et/ou en gisement pour l'estimation des directions d'arrivée des ondes incidentes, et comprenant une pluralité d'antennes élémentaires, lesdites antennes élémentaires étant réparties suivant un maillage régulier, la distance séparant deux antennes élémentaires contiguës étant sensiblement égale à la demi-longueur d'onde associée à la fréquence maximale d'une plage de fréquences d'intérêt, le nombre d'antennes dudit réseau d'antennes de référence étant supérieur au nombre d'antennes dudit ensemble, l'espacement entre les antennes extrêmes dudit réseau étant supérieur ou égal à l'espacement entre les antennes extrêmes dudit ensemble selon l'axe de gisement et/ou l'axe de site,
Une étape de recherche de configurations à prendre en considération à partir de contraintes prédéterminées afin d'établir une liste de configurations à prendre en considération,
Une étape de quantification du niveau maximum d'ambiguïtés de chacune des configurations de ladite liste à partir d'une fonction de corrélation afin d'associer à chacune desdites configurations une grandeur d'évaluation,
Une étape de recherche de la configuration présentant la grandeur d'évaluation la plus faible, ladite configuration étant la configuration optimale.
Dans un mode de mise en œuvre particulier, ledit ensemble d'antennes de goniométrie étant destiné à des mesures de direction d'arrivée de signaux radioélectriques incidents ne dépendant pas de la polarisation de ces dits signaux, la grandeur d'évaluation associée à une configuration est égale à la valeur maximale d'une fonction de corrélation FCor(0lJ 02) fonction de deux directions d'arrivée où 0! et 02 représentant deux directions d'arrivée balayant le domaine de couverture de direction d'arrivée de ladite configuration pour l'une et le domaine de direction d'arrivée d'intérêt pour l'autre, et en excluant les valeurs pour lesquelles la fonction de corrélation dudit réseau d'antennes de référence CorRé (01, 02) est supérieure ou égale à un seuil SRéf prédéterminé, les fonctions de corrélation FCor (0lJ 02) et FCorRé (01, 02) s'exprimant respectivement à partir du vecteur de pointage de ladite configuration et du vecteur de pointage dudit ensemble de référence. Dans un autre mode de réalisation possible, ledit ensemble antennes étant destiné à des mesures de direction d'arrivée de signaux radioélectriques incidents dépendant de la polarisation de ces dits signaux, la grandeur d'évaluation associée à une configuration est égale à la valeur maximale des valeurs propres d'une matrice Γ*(Θ1, Θ2) ■ Γ(Θ1, Θ2), fonction de deux directions d'arrivée où 0! et Θ2 représentant deux directions d'arrivée balayant le domaine de couverture angulaire de ladite configuration pour l'une et le domaine angulaire d'intérêt pour l'autre, où :
Γ(Θ1, Θ2) = fa 1 Λ ' Hnorm i®2> ^-min) ^Vnorm i®2> ^-min)] où :
- Γ(Θ1; Θ2) est une matrice carrée 2 x 2 ;
- U "normal, rnin)} ^ mQ 2 χ Ν
- [UHnorm (®2> Amin) UVnorm{Q2, min)] est une matrice N x 2 ;
- UHnorm(Q, Àmin) et UVnorm(Q, Àmin) sont deux vecteurs formant une base orthonormée du plan engendré par les deux vecteurs de pointage UH(Q, Amin) et Uv(Q, Amin) de l'ensemble d'antennes de goniométrie à la longueur d'onde minimale, respectivement en polarisation rectiligne horizontale et en polarisation rectiligne verticale,
- Le signe * correspond à la transformation transposé et conjugué. La liste de configurations à prendre en considération correspond par exemple à la liste complète des configurations possibles.
Dans un autre mode de mise en œuvre possible, la liste des configurations à prendre en considération correspond par exemple à un tirage aléatoire d'un nombre prédéterminé de configurations parmi la liste complète des configurations possibles.
Les antennes réseau d'antennes de référence étant alignées selon un maillage, les positions dans les configurations possibles des antennes de l'ensemble d'antennes de goniométrie sont par exemple alignées sur ledit maillage. Ledit réseau d'antennes de référence est par exemple un réseau d'éléments rayonnants, chaque antenne dudit ensemble d'antennes de goniométrie étant réalisée à partir d'un sous-réseau dudit réseau. L'invention a également pour objet un ensemble d'antennes de goniométrie obtenu par un tel procédé.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés pour lesquels :
- La figure 1 illustre une définition du référentiel géométrique utilisé et des angles particuliers de gisement et de site ;
- La figure 2 représente des étapes possibles de la conception d'un ensemble d'antennes de goniométrie selon deux dimensions ;
- La figure 3 représente un exemple de mode de réalisation d'un ensemble d'antennes de goniométrie selon deux dimensions dans le cas de non-dépendance de la polarisation ;
- La figure 4 représente un exemple de mode de réalisation d'un ensemble d'antennes de goniométrie selon deux dimensions dans le cas de dépendance de la polarisation (cas à diversité de polarisation) ;
- Les figures 5a et 5b sont des représentations graphiques des fonctions de corrélation de l'ensemble d'antennes de goniométrie correspondant à la configuration matérialisée à la figure 3 et du réseau d'antennes de référence, respectivement Cor(0lJ 02) et
FcorRêf(9l> ®2) :
- La figure 6 illustre une définition du référentiel géométrique utilisé avec un ensemble d'antennes de goniométrie à diversité de polarisation ;
- La figure 7 est une représentation graphique de la corrélation généralisée (calcul matriciel) de l'ensemble d'antennes de goniométrie à diversité de polarisation matérialisé à la figure 6 ;
- Les figures 8a et 8b représentent respectivement une configuration d'un ensemble d'antennes de goniométrie conçu selon l'invention et le graphique de la fonction de corrélation illustrant les résultats obtenus pour cette configuration ;
- Les figures 9a et 9b représentent respectivement une configuration d'un ensemble d'antennes de goniométrie à diversité de polarisation conçu selon l'invention et le graphique de la corrélation généralisée illustrant les résultats obtenus pour cette configuration.
La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un ensemble d'antennes de goniométrie pouvant travailler selon deux dimensions angulaires, par exemple gisement et site. Au besoin, le procédé est évidemment applicable avec une seule dimension angulaire.
La figure 1 rappelle que, pour une direction d'arrivée quelconque, matérialisée par une droite de direction d'arrivée 1 1 , le gisement est l'angle formé par la droite 11 0, correspondant à la projection de la droite de direction d'arrivée sur le plan horizontal, et un axe de référence dans ce plan horizontal (ou ligne de foi, par exemple la normale à un plan d'alignement des antennes). Le site est l'angle formé par la droite de direction d'arrivée 11 et sa projection 1 10 sur le plan horizontal.
Dans la suite, on utilisera le terme direction d'arrivée, symbolisé par Θ, et donc généralement définie par deux angles, le gisement 9g et le site =
L'ensemble d'antennes de goniométrie peut être réalisé aussi bien à partir d'antennes classiques non-réseaux (spirale, sinueuse, papillon, cornet, etc, ...) qu'à partir d'une antenne réseau dans laquelle on définit un ensemble de sous-réseaux, cet ensemble formant ledit ensemble d'antennes de goniométrie. En d'autres termes, l'ensemble est alors réalisé à partir de faisceaux formés avec des sous-réseaux d'un réseau d'antennes élémentaires.
Le procédé selon l'invention comprend une phase de recherche de la configuration optimale de l'ensemble d'antennes de goniométrie suivi d'une phase de réalisation à partir de cette configuration optimale.
D'une façon générale, par configuration, on comprend la définition de chaque antenne constitutive au sein de l'ensemble, c'est-à-dire le gain fonction de la direction d'arrivée, de la fréquence et de la polarisation, la position du centre de phase et la direction de pointage, quel que soit le mode de réalisation avec des antennes classiques ou avec des faisceaux formés. Cette définition exhaustive d'une configuration peut cependant être simplifiée comme on le verra plus loin.
Le procédé selon l'invention comprend par exemple les étapes suivantes présentées en figure 2 :
- Une première étape 21 de définition d'un réseau d'antennes de référence ;
- Une deuxième étape 22 de définition des configurations à prendre en considération ;
- Une troisième étape 23 d'évaluation de chaque configuration à prendre en considération, par une méthode faisant intervenir le réseau d'antennes de référence et permettant d'apprécier la qualité de goniométrie en termes d'ambiguïtés et de précision ;
- Une quatrième étape 24 de détermination de la meilleure configuration ;
- Une cinquième étape 25 de réalisation de l'ensemble d'antennes de goniométrie correspondant à cette meilleure configuration.
La première étape de définition d'un réseau d'antennes de référence consiste à définir une pluralité de K antennes élémentaires toutes identiques, dont les centres de phase sont disposés régulièrement sur une surface maillée. La distance entre deux antennes contiguës du réseau doit sensiblement être inférieure à la demi-longueur d'onde minimale, la longueur d'onde minimale Àmin correspondant à la fréquence maximale de travail fmax, qui est la fréquence maximale d'une plage de fréquences d'intérêt, propre à chaque application. Les longueurs du réseau, dans les plans de coupe horizontal et vertical, sont inversement proportionnelles aux précisions de goniométrie respectivement en gisement et en site. Le nombre d'antennes du réseau d'antennes de référence est supérieur au nombre d'antennes de l'ensemble d'antennes. L'espacement entre les antennes extrêmes du réseau d'antennes de référence est supérieur ou égal à l'espacement entre les antennes extrêmes de l'ensemble d'antennes, quel que soit l'axe considéré, de site ou de gisement. D'une façon générale, cette surface maillée n'est pas nécessairement plane, elle peut par exemple être cylindrique. Toutefois, une variante simplifiée peut être une surface maillée plane.
Ce réseau d'antennes de référence est un simple artifice de calcul dans le procédé dans le cas où l'ensemble d'antennes de goniométrie est réalisé avec des antennes classiques. Par contre, dans le cas où l'ensemble d'antennes de goniométrie est réalisé par des faisceaux formés à partir de sous-réseaux, ce réseau d'antennes de référence peut correspondre concrètement au réseau d'antennes élémentaires avec lequel sont réalisés les sous-réseaux engendrant lesdits faisceaux formés.
La deuxième étape de définition des configurations à prendre en considérations a pour objet de fournir à la troisième étape une liste de configuration à évaluer de façon que la quatrième étape puisse choisir, parmi elles, la meilleure suivant un critère sur la grandeur servant à évaluer chaque configuration.
On rappelle qu'une configuration correspond à la définition physique d'un ensemble d'antennes de goniométrie, cet ensemble comprenant N antennes, N étant un entier supérieur ou égal à 2. Cette définition physique correspond, pour chacune des N antennes constitutives dans le cas le plus général, au gain fonction de la direction d'arrivée, de la fréquence et de la polarisation, à la position du centre de phase et à la direction de pointage. Cela est valable quel que soit le mode de réalisation, avec des antennes classiques ou avec des faisceaux formés.
La définition d'une configuration peut toutefois être simplifiée dans un grand nombre de cas possibles. Une variante de réalisation peut alors aboutir à une configuration se réduisant uniquement aux positions des centres de phase des antennes dans un plan, celles-ci étant toutes identiques, placées dans un plan et pointées dans la même direction.
Il faut noter que le gain d'antenne (fonction de la direction d'arrivée, de la fréquence et de la polarisation) est une définition à but de généralisation. En effet, pour les cas d'utilisation courants, on n'aura pas tendance à employer des antennes constitutives différentes les unes des autres, sauf en réponse en polarisation pour des raisons de diversité de polarisation.
Ces configurations sont cadrées par le cahier des charges et par des considérations géométriques et techniques dépendant du mode de réalisation de l'ensemble d'antennes de goniométrie. Par exemple, dans le cas d'une réalisation avec des antennes classiques, les antennes ne devant ni se gêner mécaniquement, ni se masquer, elles ne pourront pas se recouvrir. Par contre, dans le cas de faisceaux formés, les antennes pourraient se recouvrir dans la mesure où les formations de faisceaux par sous-réseau le permettraient ; c'est une question technique de cahier des charges.
Le réseau d'antennes de référence, défini à la première étape, fournit le maillage régulier de la surface d'implantation des centres de phase des K antennes constitutives de ce réseau, avec un pas de maille d sensiblement inférieur à la demi-longueur d'onde minimale Àmin/2. Les centres de phase des antennes constitutives de l'ensemble d'antennes de goniométrie, à formation de faisceaux, pouvant s'aligner sur un demi-pas de maille d/2 suivant la formation de faisceau, on pourra utiliser ce maillage au demi-pas également quand les antennes sont classiques.
La figure 3 illustre un exemple plan de mode de réalisation d'un ensemble d'antennes de goniométrie 30 ainsi que les positions possibles de chacun des centres de phase des antennes ainsi réalisées avec les sous- réseaux 31 . Afin de ne pas surcharger la figure, seuls les emplacements possibles 31 1 des centres de phase 31 0 de chacune des antennes 31 ont été représentés.
Suivant un premier mode de mise en œuvre, au cours de cette étape, on peut constituer une liste de toutes les configurations possibles de l'ensemble d'antennes de goniométrie, en établissant toutes les combinaisons possibles compte tenu des contraintes et du cahier des charges.
Suivant un second mode de mise en œuvre alternatif, la liste de configurations à évaluer peut être établie en sélectionnant de façon aléatoire, dans l'ensemble des configurations possibles, un nombre de configurations restreint par rapport à la totalité possible. Ce mode a pour but d'éviter un trop grand nombre de configurations à évaluer en troisième étape, si l'application est contrainte en temps d'exécution. Dans la mesure où les configurations se limitent aux positions des centres de phase des antennes, il est intéressant de noter qu'un tirage aléatoire reproduira la statistique d'irrégularité des configurations, faisant qu'on pourra avoir, dans la liste ainsi restreinte, une configuration suffisamment irrégulière pour avoir un niveau d'ambiguïtés de goniométrie suffisamment faible.
La troisième étape est basée sur une évaluation du niveau maximal d'ambiguïtés de goniométrie produites par chaque configuration d'ensemble d'antennes de goniométrie, chaque configuration évaluée ayant été définie à la deuxième étape.
Une ambiguïté de goniométrie correspond à des mesures de direction d'arrivée identiques pour des directions d'arrivée réelles différentes. En pratique, compte tenu des imperfections de réalisation des matériels et des bruits de mesure en tout genre, une ambiguïté de goniométrie correspond à des mesures de direction d'arrivée proches pour des directions d'arrivée réelles suffisamment éloignées.
Le niveau d'ambiguïtés de goniométrie peut être évalué par la corrélation des mesures de directions d'arrivée effectuées par un ensemble d'antennes de goniométrie dans un domaine de directions d'arrivée donné, en éliminant de ce domaine les cas pour lesquels la corrélation des mesures de direction d'arrivée est normale, ce qui se voit par la corrélation des mesures de direction d'arrivée du réseau d'antennes de référence qui produit une réponse idéale.
La corrélation peut être supportée par un calcul de fonction de corrélation plus ou moins généralisée selon que les mesures de direction d'arrivée dépendent ou non de la polarisation des signaux radioélectriques devant être traités.
Pour effectuer ce calcul, on a besoin de distinguer deux domaines de directions d'arrivée : le domaine de couverture et le domaine d'intérêt. Le domaine de couverture est le domaine de directions d'arrivée pour lequel l'ensemble d'antennes de goniométrie peut recevoir des signaux radioélectriques. Le domaine d'intérêt est donné par le cahier des charges, il est au plus égal au domaine de couverture, il est généralement restreint par rapport à ce dernier.
De manière pratique pour calculer les fonctions de corrélation plus ou moins généralisées, on pourra prendre des valeurs angulaires non pas linéairement distribuées dans ces domaines, mais des valeurs angulaires dont les sinus sont linéairement distribués. Cela permet avantageusement de réduire le nombre de directions d'arrivée tout en prenant en compte, au besoin, l'élargissement des faisceaux formés lié au dépointage.
Le premier cas est celui où les mesures de direction d'arrivée effectuées avec l'ensemble d'antennes de goniométrie ne dépendent pas de la polarisation des signaux radioélectriques incidents. Dans ce cas, la corrélation est exprimée par une simple fonction de corrélation. Le niveau maximal d'ambiguïtés d'un ensemble d'antennes de goniométrie, associé à une configuration donnée, correspond à la valeur maximale de la fonction de corrélation dudit ensemble max&l)&2 (FCor Q1, Q2)) où 0! et 02 sont deux directions d'arrivée balayant le domaine de couverture pour l'une et le domaine d'intérêt pour l'autre (l'affectation des domaines à 0! et à 02 est indifférent), et en excluant les valeurs pour lesquelles la fonction de corrélation du réseau d'antennes de référence CorRé (01, 02) est supérieure ou égale à un seuil SRéf prédéterminé. D'une façon générale, le résultat est compris entre 0 et 1 borne incluse. Une valeur préférentielle du seuil SRéf est 0,5.
Les fonctions de corrélation FCor(0lJ 02) et FCorRé (01, 02) s'expriment respectivement à partir du vecteur de pointage (ou steering vector en anglais) de l'ensemble d'antennes de goniométrie U(Q, Amin) et du vecteur de pointage du réseau d'antennes de référence URéf (Q, Amin) :
fCOr (0i, 02) =
Figure imgf000014_0001
■ U{Q2, min) |2 et
FcorRéf (®l> Θ2) = | ^Ré/ (®l'^-mm) " ^Réf ^2> ^-min) \ où le signe * correspond à la transformation transposée et conjuguée.
D'une façon générale, un vecteur de pointage d'un groupe G de
P antennes, UG {Q, X), est un vecteur unitaire comprenant P composantes, dont la p-ième composante est proportionnelle à la réponse de la p-ième antenne, en amplitude et phase, AG p {Q, X) = DG p {Q, X)■ e OMcp u(0) où comme illustré par la figure 1 :
- DG p ®, X) est le diagramme de rayonnement ou gain (amplitude et phase) de la p-ième antenne du groupe G dans la direction d'arrivée 0 et à la longueur d'onde λ ;
- MG p est la position dans l'espace du centre de phase de la p-ième antenne du groupe G par rapport à une origine O ;
- u(0) est le vecteur unitaire porté par la direction d'arrivée 0 ; - ei—-°MG, v-um représente le terme de déphasage lié à la position du centre de phase de la p-ième antenne dans le groupe G. D'une façon générale, le vecteur de pointage UG ®, X) peut s'exprimer comme le rapport du vecteur AG {Q, X), dont la p-ième composante est AG p ®, X), à sa norme euclidienne ||i4G (0, l) || qui elle-même peut s'exprimer de la façon suivante ||i4G (0, /l) || = ^A* G {Q, X) ■ AG (Q, X), A* G (Q, X) est le vecteur transposé conjugué du vecteur AG ®, X).
Le vecteur de pointage U{Q, min) s'obtient en application de ce qui précède aux N antennes de l'ensemble d'antennes de goniométrie.
Le vecteur de pointage URéf (Q, Àmin) s'obtient en application de ce qui précède aux K antennes du réseau d'antennes de référence. Compte tenu généralement de la faible directivité des antennes du réseau d'antennes de référence, dans une variante de mise œuvre, les gains DRéf k ®, X) peuvent être remplacés par 1. Dans une autre variante de mise en œuvre, ces gains DRéf k {Q, X) peuvent être remplacés par des coefficients de pondération Pk différents d'une antenne à l'autre, dans le but de ne pas pénaliser une configuration de l'ensemble d'antennes de goniométrie offrant un niveau d'ambiguïtés moindre au prix d'une légère dégradation sur la précision de direction d'arrivée.
Le second cas est celui où les mesures de direction d'arrivée effectuées avec l'ensemble d'antennes de goniométrie dépendent de la polarisation des signaux radioélectriques, tant pour des raisons de diversité de polarisation des signaux radioélectriques incidents que pour des raisons de réponse en polarisation des antennes constitutives. Quand l'ensemble d'antennes de goniométrie doit être apte à traiter une diversité de polarisation de signaux incidents, il faut utiliser des antennes constitutives pouvant former une base de décomposition de la polarisation, qui est de préférence orthogonale. Par exemple, on utilise classiquement des antennes de polarisation adaptée rectiligne horizontale et des antennes de polarisation adaptée rectiligne verticale. Mais ce peut aussi être des antennes de polarisation adaptée circulaire droite et des antennes de polarisation adaptée circulaire gauche.
Dans ce cas, la corrélation au niveau de l'ensemble d'antennes de goniométrie s'apprécie avec le produit matriciel Γ*(Θ1, Θ2) ■ Γ(Θ1, Θ2) et le niveau maximal d'ambiguïtés correspond à la plus grande valeur propre de ce produit matriciel :
¾α [Γ*(Θ1, Θ2) - Γ(Θ1, Θ2)]
avec
1>
Figure imgf000016_0001
OÙ
VPmax signifie valeur propre maximale ;
Γ(Θ1, Θ2) est une matrice carrée 2 x 2 ;
est une matrice 2 x N ;
Figure imgf000016_0002
- [UHnorm (®2> Amin) UVnorm {Q2, min)] est une matrice N x 2 ;
- UHnorm (Q, Àmin) et UVnorm (Q, Àmin) sont deux vecteurs formant une base orthonormée du plan engendré par les deux vecteurs de pointage UH (Q, Amin) et Uv ®, min) de l'ensemble d'antennes de goniométrie à la longueur d'onde minimale, respectivement en polarisation rectiligne horizontale (H) (correspondant à un champ électrique colinéaire avec le vecteur ÛH Q) de la figure 4, ledit vecteur étant un vecteur unitaire orthogonal à la droite de direction d'arrivée définie par Θ et situé dans le plan horizontal local de l'ensemble d'antennes de goniométrie) et en polarisation rectiligne verticale (V) (correspondant à un champ électrique colinéaire avec le vecteur uv{&) de la figure 4, ledit vecteur étant un vecteur unitaire orthogonal à la droite de direction d'arrivée définie par Θ et situé dans le plan vertical local, comprenant la droite de direction d'arrivée, de l'ensemble d'antennes de goniométrie), pouvant prendre par exemple la forme suivante :
Figure imgf000016_0003
- Le signe * correspond à la transformation transposée et conjuguée.
Les vecteurs de pointage UH (Q, Amin) et Uv ®, min) sont des vecteurs unitaires comprenant N composantes car ils correspondent à l'ensemble d'antennes de goniométrie qui possède N antennes, leurs n-ièmes composantes sont proportionnelles aux réponses, en amplitude et phase, des n-ièmes antennes respectivement en polarisation horizontale
_4Η<η(Θ,λ) = DH n{Q, X)■ ei--°Mn um et en polarisation verticale AV n ®, X) = DV n{Q, X) . ^τΟ ιι'ι'(Θ), où de manière similaire au premier cas et comme illustré par la figure 4 :
- DH n ®, X) et DV n{Q, X) sont les diagrammes de rayonnement ou gains (amplitude et phase) de la n-ième antenne de l'ensemble d'antennes de goniométrie dans la direction d'arrivée Θ, à la longueur d'onde λ et respectivement en polarisation rectiligne horizontale et en polarisation rectiligne verticale ;
- Mn est la position dans l'espace du centre de phase de la n-ième antenne de l'ensemble d'antennes de goniométrie par rapport à une origine 0 ;
- u(0) est le vecteur unitaire porté par la direction d'arrivée Θ ;
- ei—-°Mn um représente le terme de déphasage lié à la position du centre de phase de la n-ième antenne dans l'ensemble d'antennes de goniométrie.
La quatrième étape de détermination de la meilleure configuration consiste à retenir la configuration de l'ensemble d'antennes de goniométrie présentant le niveau maximal d'ambiguïtés le plus faible parmi ceux calculés à la troisième étape, et inférieur à un seuil Smax prédéterminé. Ce seuil permet d'assurer que le niveau maximal d'ambiguïtés est suffisamment faible pour la qualité de la goniométrie et, au besoin s'il ne l'est pas, de recommencer le procédé selon l'invention à partir de la première étape en relâchant nécessairement certaines contraintes comme, par exemple, le nombre d'antennes de goniométrie N, c'est-à-dire en l'augmentant.
Les valeurs préférentielles du seuil Smax sont inférieures ou égales à 0,9.
Des explications complémentaires sont fournies ci-après en s'appuyant sur des exemples non limitatifs illustrés par des figures.
Les figures 5a et 5b illustrent le phénomène d'ambiguïtés de goniométrie par la représentation graphique de la fonction de corrélation. Pour faciliter l'interprétation, la direction d'arrivée Θ est restreinte au gisement 9g , le site 9S est supposé nul. Comme préconisé précédemment, les échelles de gisement sont aussi en sinus du gisement. Le domaine de couverture en gisement va de -90 à +90 degrés, et le domaine d'intérêt de gisement va de -9gi = -15 degrés à 9gi = 15 degrés.
La figure 5a correspond à la fonction de corrélation Fcor (.®i> ®2) = Fcor {^gl, 9g2 ) de la configuration de l'ensemble d'antennes de goniométrie décrit précédemment par la figure 3. Dans cette configuration, les N antennes de goniométrie présentent le même diagramme de rayonnement pointé dans la même direction et sont régulièrement espacées suivant un pas AL selon l'axe des y (horizontal), et constituent par conséquent un ensemble d'antennes naturellement ambigu pour la longueur d'onde minimale Àmin. Cela se traduit par une multitude de droites 51 en plus de la droite 50 qui, elle, n'est pas à considérer comme un lieu d'ambiguïtés. En effet, la figure 5b correspond à la fonction de corrélation FcorRêf (®i> Θ2) = FcorRéf (dgl, 9g2) du réseau d'antennes de référence, elle illustre sa robustesse aux ambiguïtés, c'est-à-dire le meilleur résultat possible en termes de réjection des ambiguïtés. Seuls les couples (9gl, 9g2 ) appartenant à la droite 50 passant par l'origine, 9gl = 9g2 , fournissent une valeur de FCorRéf (9gl, 9g2) égale à 1, ce qui est absolument normal.
On notera que, sur ces représentations graphiques des fonctions de corrélation, l'épaisseur des droites 50, 51 reflète la précision atteignable sur l'estimation de direction d'arrivée. Plus la droite 50, 51 est fine, plus l'estimation du gisement est précise. En effet, l'épaisseur de ces droites traduit la vitesse à laquelle les vecteurs de pointage se décorrèlent au fur et à mesure que l'on écarte les directions d'arrivée. La précision de direction d'arrivée découle directement de cette vitesse de décorrélation, elle-même liée aux dimensions géométriques de l'ensemble d'antennes de goniométrie.
On notera également en figure 5a que l'espacement 52 entre
X
droites 50, 51 est régulier et vaut précisément -^. Cela tient au fait que deux gisements 9gl et 9g2 présentent des vecteurs de pointage similaires
X
lorsque la différence de leur sinus vaut un nombre entier de fois -≡L. Cette
^ AL similitude, pour ce nombre entier non nul, engendre les ambiguïtés qui sont normales ici vu la géométrie de la configuration et se traduisent par la plus forte valeur de la fonction de corrélation, c'est-à-dire 1. La figure 6 présente un exemple de mode de réalisation d'un ensemble d'antennes de goniométrie 70 à diversité de polarisation et les positions possibles de ces antennes 71 , 72. Comme pour la figure 3, pour ne pas surcharger la figure, seuls les emplacements possibles 730 des centres de phase 73 de chacune des antennes de goniométrie 71 , 72 ont été représentés. La configuration matérialisée s'inspire directement de la configuration matérialisée de l'ensemble d'antennes monopolarisation de la figure 3 et chaque antenne 71 , 72 est alignée suivant un maillage régulier. Dans cet exemple, l'ensemble d'antennes de goniométrie à diversité de polarisation 70 comporte deux fois plus d'antennes réparties sur une même surface pour atteindre la même précision de direction d'arrivée que dans la configuration matérialisée en figure 3. La moitié des antennes 71 possède une polarisation adaptée rectiligne horizontale et l'autre moitié des antennes 72 possède une polarisation adaptée rectiligne verticale.
D'une façon générale, les antennes 71 sont de polarisation adaptée orthogonale à celle des antennes 72, et ces antennes 71 , 72 peuvent être disposées de façon quelconque pour former l'ensemble d'antennes de goniométrie à condition d'utiliser autant d'antennes 71 que d'antennes 72.
Selon un mode de réalisation particulier, les antennes formant l'ensemble d'antennes de goniométrie peuvent être disposées en damier en alternant une antenne 71 et une antenne 72. De façon avantageuse, cette architecture bipolarisations en damier permet :
- D'homogénéiser la probabilité d'interception des signaux incidents sur l'ensemble d'antennes de goniométrie en fonction de leur polarisation ;
- De permettre une estimation conjointe de la direction d'arrivée et de la polarisation du signal intercepté ;
- D'optimiser la précision de direction d'arrivée en site et en gisement.
Selon un autre mode de réalisation, l'ensemble d'antennes de goniométrie 70 à diversité de polarisation est constitué d'antennes doubles, dites bipolarisation et comprenant deux antennes de polarisations adaptées orthogonales dont les centres de phases sont confondus aux imperfections près. Dans ce cas, le nombre d'antennes bipolarisations est identique à celui d'un ensemble d'antenne 30 monopolarisation. La figure 7 correspond à la fonction de corrélation Fcor (.®i> ®2) = Fcor {^gl, eg2 ) pour la configuration matérialisée en figure 6. La disposition régulière des antennes 71 , 72 provoque des ambiguïtés de niveau maximal. Pour des domaines de gisement de couverture et d'intérêt identiques à la figure 5a, la figure 7 présente deux fois moins de droites, ce qui est normal car l'espacement selon l'axe des y (horizontal) entre deux antennes successives est diminué dans un rapport deux.
La figure 8a donne un exemple de configuration d'un ensemble d'antennes de goniométrie 80 conçu selon l'invention. Cette configuration a été retenue parmi une liste de dix mille configurations possibles obtenue par une succession de tirages aléatoires. Pour un domaine de direction d'arrivée d'intérêt comprenant des gisements entre -15 et +15 degrés et des sites entre -10 et +10 degrés, la fonction de corrélation FCor(0lJ 02) est inférieure à 0,75. La figure 8b représente graphiquement la fonction de corrélation Fcor (®i> ®2) = Fcor{Pgi> Qg2 ) à site nul pour des gisements d'intérêt entre -15 et +15 degrés et des gisements de couverture entre -90 et +90 degrés, la valeur de cette fonction présente une valeur inférieure à 0,7 en dehors de la droite 50. La comparaison des figures 5a et 8b permet de mettre en évidence la réduction significative du niveau des ambiguïtés de l'ensemble d'antennes de goniométrie, la précision de direction d'arrivée étant inchangée.
La figure 9a donne un exemple de configuration d'un ensemble d'antennes de goniométrie 90 à diversité de polarisation conçu selon l'invention. Cette configuration a été retenue parmi une liste d'un million configurations possibles obtenue par une succession de tirages aléatoires. Pour un domaine de direction d'arrivée d'intérêt comprenant des gisements entre -15 et +15 degrés et des sites entre -10 et +10 degrés, la fonction de corrélation Cor(01, 02) est inférieure à 0,85. La figure 9b représente graphiquement la fonction de corrélation FCor(01, 02) = FCor(05l, 052) à site nul pour des gisements d'intérêt entre -15 et +15 degrés et des gisements de couverture entre -90 et +90 degrés, la valeur de cette fonction présente une valeur inférieure à 0,5 en dehors de la droite 50. La comparaison des figures 7 et 9b permet de mettre en évidence la réduction significative du niveau des ambiguïtés de l'ensemble d'antennes de goniométrie, la précision de direction d'arrivée étant inchangée.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de fabrication d'un ensemble d'antennes de goniométrie (70, 80, 90) selon deux dimensions comprenant au moins trois antennes, caractérisé en ce que, comportant une phase de détermination de la configuration optimale dudit ensemble parmi une liste de configurations possibles, une configuration étant définie par le gain, la direction de pointage et la position au sein dudit ensemble de chacune desdites antennes, ladite phase comporte au moins :
- Une étape (21 ) de définition d'un réseau d'antennes de référence, ledit réseau couvrant une surface ayant une dimension en site et/ou en gisement inversement proportionnelle respectivement à un niveau de précision requis en site et/ou en gisement pour l'estimation des directions d'arrivée des ondes incidentes, et comprenant une pluralité d'antennes élémentaires, lesdites antennes élémentaires étant réparties suivant un maillage régulier, la distance séparant deux antennes élémentaires contiguës étant sensiblement égale à la demi- longueur d'onde associée à la fréquence maximale d'une plage de fréquences d'intérêt, le nombre d'antennes dudit réseau étant supérieur au nombre d'antennes dudit ensemble, l'espacement entre les antennes extrêmes dudit réseau étant supérieur ou égal à l'espacement entre les antennes extrêmes dudit ensemble selon l'axe de gisement et/ou l'axe de site,
- Une étape (22) de recherche de configurations à prendre en considération à partir de contraintes prédéterminées afin d'établir une liste de configurations à prendre en considération,
- Une étape (23) de quantification du niveau maximum d'ambiguïtés de chacune des configurations de ladite liste à partir d'une fonction de corrélation afin d'associer à chacune desdites configurations une grandeur d'évaluation,
- Une étape (24) de recherche de la configuration présentant la grandeur d'évaluation la plus faible, ladite configuration étant la configuration optimale. Procédé selon la revendication 1 dans lequel ledit ensemble d'antennes de goniométrie étant destiné à des mesures de direction d'arrivée de signaux radioélectriques incidents ne dépendant pas de la polarisation de ces dits signaux, la grandeur d'évaluation associée à une configuration est égale à la valeur maximale d'une fonction de corrélation FCor (0lJ 02) fonction de deux directions d'arrivée où 0! et 02 représentant deux directions d'arrivée balayant le domaine de couverture de direction d'arrivée de ladite configuration pour l'une et le domaine de direction d'arrivée d'intérêt pour l'autre, et en excluant les valeurs pour lesquelles la fonction de corrélation dudit réseau d'antennes de référence CorRé (01, 02) est supérieure ou égale à un seuil SRéf prédéterminé, les fonctions de corrélation Cor (01, 02) et PcorRéf (0i, 02) s'exprimant respectivement à partir du vecteur de pointage de ladite configuration et du vecteur de pointage dudit ensemble de référence.
Procédé selon la revendication 1 dans lequel ledit ensemble d'antennes étant destiné à des mesures de direction d'arrivée de signaux radioélectriques incidents dépendant de la polarisation de ces dits signaux, la grandeur d'évaluation associée à une configuration est égale à la valeur maximale des valeurs propres d'une matrice Γ* (01; 02)■ Γ(01, 02), fonction de deux directions d'arrivée où 0! et 02 représentant deux directions d'arrivée balayant le domaine de couverture angulaire de ladite configuration pour l'une et le domaine angulaire d'intérêt pour l'autre, où :
Γ(Θ1, Θ2) =
Figure imgf000023_0001
où :
Γ(01; 02) est une matrice carrée 2 x 2 ;
U Hnorm ®1> ^-min
est une matrice 2 x N ;
-Uvnorm (.®l> ^min
[UHnorm (®2> Amin) UVnorm {Q2, min)] est une matrice N x 2 ;
UHnorm (®, ^min) et UVnorm (Q, Amin) sont deux vecteurs formant une base orthonormée du plan engendré par les deux vecteurs de pointage UH (Q, Amin) et Uv ®, min) de l'ensemble d'antennes de goniométrie à la longueur d'onde minimale, respectivement en polarisation rectiligne horizontale et en polarisation rectiligne verticale,
- Le signe * correspond à la transformation transposé et conjugué.
Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel la liste de configurations à prendre en considération correspond à la liste complète des configurations possibles.
Procédé selon une des revendications 1 à 3 dans lequel la liste des configurations à prendre en considération correspond à un tirage aléatoire d'un nombre prédéterminé de configurations parmi la liste complète des configurations possibles.
Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel les antennes réseau d'antennes de référence étant alignées selon un maillage, les positions dans les configurations possibles des antennes de l'ensemble d'antennes de goniométrie sont alignées sur ledit maillage.
Procédé selon une des revendications précédentes dans lequel ledit réseau d'antennes de référence est un réseau d'éléments rayonnants, chaque antenne dudit ensemble d'antennes de goniométrie étant réalisée à partir d'un sous-réseau dudit réseau.
Ensemble d'antennes de goniométrie, caractérisé en ce qu'il est réalisé par le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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