Les systèmes de communication aéronautique

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Systèmes radio utilisant la bande L aéronautique

A l’issue de la CMR de 2007 [51], l’UIT a attribué une partie de la bande aéronautique L (960 à 1164 MHz) pour le développement du système L-DACS. Malgré un spectre potentiellement large, cette bande et son voisinage sont utilisées par plusieurs systèmes aéronautiques (radionavigation, surveillance…), de télécommunication (téléphonie mobile…) et de radionavigation par satellite. On représente à la figure 3.1 l’occupation spectrale actuelle de la bande aéronautique L (960 à 1215 MHz).
Figure 3.1: Occupation spectrale de la bande aéronautique L (960 à 1215 MHz)
On distingue à partir de cette figure deux groupes de systèmes : les systèmes opérant dans la bande 960-1164 MHz et les systèmes fonctionnant au voisinage de cette bande (jusqu’à 960 MHz et à partir de 1164 MHz).
Les systèmes utilisant la bande 960-1164 MHz peuvent être classés en deux catégories par rapport à leur normalisation :
• Les systèmes normalisés par l’OACI
• Le DME (« Distance Measuring Equipment ») [85] est un équipement très utilisé en aéronautique et implémenté dans tous les aéronefs volant aux instruments aujourd’hui. Il permet de mesurer la distance oblique et de manière permanente entre un aéronef et une balise au sol en mesurant le temps aller-retour de paires d’impulsions gaussiennes envoyées en bande Ultra Haute Fréquence (UHF).
• L’UAT (« Universal Access Transceiver ») [86] est un système de liaison de données entre les stations au sol et les aéronefs, et qui permet d’échanger certaines informations comme l’état du trafic et les bulletins météorologiques.
• Le SSR (« Secondary Surveillance Radar ») [87] est un dispositif de contrôle qui permet d’identifier les aéronefs et les interroger sur leur état de vol, leur niveau de vol, vitesse… et de les localiser.
• Les systèmes non normalisés par l’OACI, dont les plus importants :
• Le TACAN (« TACtical Air Navigation ») est un système de radionavigation très similaire au système DME et opérant dans la bande 960 – 1215 MHz.
• Le JTIDS/MIDS (« Joint Tactical Information Distribution System / Multifonctionnal Information Distribution System ») [88] est un système de radiocommunication autorisé par certaines administrations.
• Le RSBN (« Short Range Radio Navigation System ») [74] : ce système de radionavigation a la particularité d’assurer les communications air/sol ainsi que le positionnement de l’aéronef dans le volume de couverture.
Par ailleurs, d’autres systèmes fonctionnent dans des bandes immédiatement adjacentes à la bande 960-1164 MHz. Parmi ces systèmes, on énumère non seulement des systèmes aéronautiques mais aussi des systèmes de téléphonie mobile et des systèmes de radionavigation par satellite. En voici les plus importants :
• Le GSM (« Global System for Mobile Communications ») [89]: Le GSM est une norme numérique de seconde génération pour la téléphonie mobile, standardisé par l’ETSI (« European Telecommunications Standards Institute »). La norme GSM 900 (dans la bande 880-960 MHz) est utilisée en Europe, en Afrique, au Moyen-Orient et en Asie.
• L’UMTS (« Universal Mobile Telecommunications System ») [89] dans la bande 880-960 MHz. Il s’agit d’une technologie de téléphonie mobile européenne de troisième génération, normalisée par le 3GPP (« 3rd Generation Partnership Project »). L’UMTS permet en particulier de transférer dans des temps relativement courts des contenus multimédia tels que les images, les sons et la vidéo.
• Les systèmes de radionavigation par satellite ou GNSS (« Global Navigation Satellite Service »), fonctionnant dans la bande 1164-1215 MHz :
• Le GPS L5 (« Global Positioning System ») [90] est conçu aux États Unis et constitue le principal système de positionnement par satellites mondial actuel. La localisation se fait par des mesures à partir de 24 satellites.
Le document RTCA (« Radio Technical Commission for Aeronautics ») DO-292 [91] résume ses caractéristiques.
• Le Galiléo E5a et E5b [90] : ces deux systèmes européens analogues au GPS L5 sont en test depuis 2004. Les systèmes Galiléo sont normalisés par la commission au sein du groupe EUROCAE (« European Organization for Civil Aviation Equipment ») WG 62 [92, 93].
• Le DME en bande adjacente (1164-1215 MHz).
• Le JTIDS/MIDS en bande adjacente (1164-1215 MHz).

Scénarios typiques de brouillage

La coexistence de L-DACS avec tous les systèmes radioélectriques opérationnels dans la bande L aéronautique et son voisinage est primordiale. Plusieurs études sont actuellement menées par EUROCONTROL pour étudier les scénarios de brouillage entre L-DACS et les principaux systèmes opérant dans la bande 960 – 1164 MHz [94, 95, 96], et dans le voisinage de cette bande [97, 98, 99]. On remarque que les systèmes étudiés peuvent être tous deux au sol, embarqués dans des aéronefs différents ou même être à l’intérieur du même aéronef. De plus, selon les phases de vol indiquées à la figure 3.2, les aéronefs peuvent être soit en vol (en phase de décollage, montée, croisière, descente et approche), soit au sol (en phase de roulage ou en stationnement) [100]. En totalité, plus d’une vingtaine de scénarios de brouillage sont à analyser pour mener une étude complète de CRE entre un système L-DACS et un système parmi ceux cités dans le sous chapitre précédent.
On définit ces scénarios à la figure 3.3 et on les énumère ci-après.
Figure 3.2: Phases de vol d’un aéronef
• Scénario Co-site (flèches 1 et 2) : le brouilleur et le récepteur victime sont localisés à l’intérieur d’un même aéronef en phase de croisière, de montée ou d’approche. Pour ce scénario, les positions spatiales des antennes des deux équipements sont proches, ce qui limite les atténuations de propagation entre elles. De manière générale, une isolation minimale de 30 dB entre les antennes associées aux équipements est nécessaire [100].
• Scénario Air – Sol (flèches 3 et 4) : le brouilleur est un équipement embarqué dans un aéronef en phase de croisière, de montée ou d’approche et le récepteur victime est une station au sol. Dans ce scénario, le modèle de propagation en espace libre s’applique.
• Scénario Sol – Air (flèches 5 et 6) : le brouilleur est une station de base générant des perturbations électromagnétiques sur un récepteur victime em3.3 barqué dans un aéronef en phase de vol, de montée ou d’approche. Dans ce scénario, le modèle de propagation en espace libre s’applique.
• Scénario Sol – Sol (flèches 7 et 8) : les deux équipements brouilleur et victime sont des stations de bases distinctes. Un brouillage entre stations au sol peut apparaître si celles ci sont localisées dans un même aéroport. Dans ce cas, la distance séparant les deux stations peut atteindre quelques kilomètres (cela correspond à des localisations à deux extrémités opposées de l’aéroport).
• Scénario Air – Air (flèches 9 et 10) : les deux équipements brouilleur et victime sont localisés dans des aéronefs distincts. D’après les instances aéronautiques, la séparation verticale minimale entre deux aéronefs est de 1000 pieds (ce qui correspond à 305 mètres), et leur séparation horizontale est beaucoup plus grande. Dans ce cas, le modèle de propagation en espace libre s’applique.
• Scénario Air – Avion au sol (flèches 11 et 12) : le brouilleur est un aéronef en phase de montée ou en approche et le récepteur victime est un aéronef au sol. Ce scénario correspond à une situation transitoire dans les phases de vol étant donnée la vitesse de l’aéronef brouilleur.
• Scénario Avion au sol – Air (flèches 13 et 14) : ce scénario est la situation inverse du scénario précédent et correspond alors à une situation transitoire.
• Scénario Avion au sol – Sol (flèches 15 et 16) : le brouilleur est un aéronef au sol (donc avant le décollage ou peu après l’atterrissage) et le récepteur victime est une station au sol. La distance séparant la station de base associée à l’aéronef au sol dans les plus grands aéroports peut atteindre quelques kilomètres.
• Scénario Sol – Avion au sol (flèches 17 et 18) : ce scénario est la situation inverse du scénario précédent.
• Scénario Avion au sol – Avion au sol (flèches 19 et 20) : Ce scénario peut apparaître juste en amont du décollage ou en aval de l’atterrissage dans des aéroports à forte charge de traffic et dans ces situations, la distance typique séparant deux aéronefs est évaluée entre quelques dizaines de mètres et quelques kilomètres.
• Scénario Co-site au sol (flèches 21 et 22) : le brouilleur et le récepteur sont tous deux localisés à bord d’un même aéronef posé au sol, avant son décollage ou après son atterrissage.
Par ailleurs, étant donné que le réseau aéronautique gère la communication parmi un grand nombre d’aéronefs et stations de au sol, un récepteur victime peut recevoir des signaux parasites provenant non pas d’un seul mais de plusieurs brouilleurs potentiels. Cette situation est mise en évidence par exemple pour les scénarios air sur air et air sur sol.

Justification des choix sélectionnés dans ce mémoire

Scénario co-site et scénario air – air

Plusieurs systèmes aéronautiques embarqués à bord des aéronefs ont des antennes très proches (en particulier au niveau de la pointe avant). A titre d’exemple, la figure 3.4 donne une liste non exhaustive des équipements radioélectriques à bord d’un aéronef A320.
Figure 3.4: Équipements/antennes à bord d’un aéronef A320
L’étude du scénario co-site parait alors contraignante et critique à cause de la proximité spatiale des équipements embarqués (et leurs antennes). En effet, à cause des portées des systèmes aéronautiques, le brouilleur émet des signaux à forte puissance en direction de sa station de base associée (l’altitude d’un aéronef peut atteindre 45000 pieds, soit environ 13600 m en croisière : voir figure 3.2). Les systèmes ont surtout un horizon radio large, ce qui implique que le récepteur victime est susceptible de recevoir des signaux de brouilleurs très éloignés. Ces signaux peuvent bloquer et / ou désensibiliser le récepteur d’un autre système embarqué à bord du même aéronef. Si de plus les deux équipements à bord opèrent à des fréquences proches ou identiques, l’effet des masques d’émission et de réception sont minimes, ce qui implique que le champ électromagnétique rayonné par l’antenne du brouilleur ne serait pas suffisamment atténué pour protéger le fonctionnement du récepteur victime.
Pour les scénarios non co-site, le scénario le plus critique semble le scénario air sur air. En effet, dans ce scénario de brouillage, la visibilité radioélectrique directe des équipements est la plus élevée. Compte tenu des séparations entre aéronefs mentionnées auparavant, cette situation implique un grand nombre de brouilleurs. De plus, les brouilleurs potentiels émettent des signaux à forte puissance captés par l’antenne du récepteur victime. Ainsi, ces aspects sont important afin de dimensionner le réseau aéronautique et de planifier l’utilisation des fréquences.

Choix du système L-DACS en tant que brouilleur

Le développement des récepteurs L-DACS1 et L-DACS2 est actuellement en cours. Plus particulièrement, les masques de réception, et leurs architectures ne sont pas encore finalisées. Pour ces raisons, on a choisi d’étudier des cas de CRE mettant en évidence un ou des brouilleur(s) L-DACS et des récepteurs victimes de systèmes radioélectriques déjà opérationnels.

Choix du système DME comme système victime prioritaire

Un grand nombre de systèmes radioélectriques sont présents dans la bande L aéronautique et ses bandes adjacentes et y sont opérationnels depuis plusieurs années.
Parmi eux, le système DME occupe la plus grande partie de la bande 960 – 1164 MHz comme l’indique la figure 3.1. Il est déployé depuis plusieurs décennies et est implémenté et utilisé aujourd’hui de manière permanente dans tous types d’aéronefs.
Ainsi, on a opté pour l’étude de l’effet de brouilleurs L-DACS sur des récepteurs DME en priorité. Pour ce faire, on a étudié des scénarios de brouillage en mode co-canal et en mode canal adjacent (voir chapitre 2).

Choix du système L-DACS2 pour les études expérimentales

D’autre part, des travaux de recherche avancés pour le candidat L-DACS1 sont menés par deux autres équipes de recherche, en particulier le centre de recherche aéronautique et spatial allemand, nommé le DLR (« Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt ») et l’agence Frequentis GmbH basée en Allemagne et en Autriche.
Depuis quelques années, ces équipes développent des prototypes pour les émetteurs et récepteurs L-DACS1, et aussi d’analyser plusieurs scénarios de brouillage mettant en oeuvre des équipements L-DACS1.
Pour cette raison, on a décidé de mener une campagne expérimentale à Supélec afin d’évaluer l’impact d’un brouilleur L-DACS2 sur les performances d’un récepteur victime du type DME. Pour ce faire, plusieurs étapes ont été primordiales, dont l’implémentation des scénarios et la fourniture des équipements nécessaires aux expérimentations.

Table des matières

1 Introduction 
1.1 Contexte et motivations de la thèse
1.2 Organisation du manuscrit
2 Étatde l’art 
2.1 Introduction
2.2 Les systèmes de communication aéronautique
2.2.1 Nécessité d’un nouveau système de communication
2.2.2 Cadre du développement du nouveau système
2.2.3 État d’avancement du système FCS
2.2.4 Le système L-DACS
2.2.5 Principales caractéristiques des candidats L-DACS
2.3 La Compatibilité Radioélectrique (CRE)
2.3.1 Définition
2.3.2 Bases de l’analyse de CRE
2.3.3 Méthodes actuelles d’analyse
2.3.4 Réglementation et normalisation
2.4 Techniques de suppression de brouillage à bord des aéronefs
2.4.1 Cas du L-DACS1
2.4.2 Cas du L-DACS2
2.4.3 Technique du « bus de suppression »
2.5 Conclusion
3 Identificationdes scénarios critiques 
3.1 Introduction
3.2 Systèmes radio utilisant la bande L aéronautique
3.3 Scénarios typiques de brouillage
3.4 Justification des choix sélectionnés dans ce mémoire
3.4.1 Scénario co-site et scénario air – air
3.4.2 Choix du système L-DACS en tant que brouilleur
3.4.3 Choix du système DME comme système victime prioritaire
3.4.4 Choix du système L-DACS2 pour les études expérimentales
3.5 Conclusion
4 Compatibilité radioélectrique air – air 
4.1 Introduction
4.2 Présentation et méthode générale
4.2.1 Hypothèses
4.2.2 Démarche
4.3 Calcul du niveau de brouillage
4.3.1 Modélisation de l’environnement aéronautique
4.3.2 Brouillage à un niveau de vol fixé
4.3.3 Distribution spatiale des brouilleurs
4.3.4 Distribution fréquentielle des brouilleurs
4.3.5 Niveau de brouillage avec séparation spatiale et/ou fréquentielle
4.4 Analyse du niveau de brouillage
4.4.1 Présentation générale et paramètres
4.4.2 Effet du nombre de brouilleurs
4.4.3 Effet de la largeur de bande du récepteur victime
4.5 Conséquences sur deux cas de brouillage
4.5.1 Brouillage d’un récepteur idéal
4.5.2 Brouillage d’un récepteur DME
4.6 Conclusion
5 Compatibilité radioélectrique co-site (même aéronef) 
5.1 Introduction
5.2 Présentation et méthode générale
5.2.1 Scénario de brouillage
5.2.2 Insuffisance de l’analyse fréquentielle
5.2.3 L’approche temporelle : démarche générale
5.3 Caractérisation temporelle des signaux
5.3.1 Le signal brouilleur L-DACS2
5.3.2 Le signal utile DME
5.4 Implémentation du scénario de brouillage
5.4.1 Analyse par la simulation
5.4.2 Analyse par l’expérimentation
5.5 Analyse des performances du récepteur victime
5.5.1 Effet du taux d’occupation de canal
5.5.2 Effet de la modulation du signal brouilleur
5.6 Conclusion
6 Conclusion et perspectives 
6.1 Conclusion
6.2 Perspectives
A Bilan de liaison L-DACS1 119
B Bilan de liaison L-DACS2 121
C Organisation de la communication L-DACS1 123
D Organisation de la communication L-DACS2 125
E Critère de protection du récepteur L-DACS1

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