SYSTEMES DE COMMUNICATION ET DE GESTION DE TRAFIC DANS LE DOMAINE FERROVIAIRE

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SYSTEMES DE COMMUNICATION ET DE GESTION DE TRAFIC DANS LE DOMAINE FERROVIAIRE

Les systèmes de communication utilisés de nos jours dans le domaine ferroviaire se composent de systèmes de communication filaires et de systèmes de communications sans fil.

Réseaux de communication filaires

Dans le domaine ferroviaire les systèmes de communication filaires sont notamment utilisés à bord des trains pour assurer des services aux voyageurs, tels que les messages d’information donnés à l’ensemble des voyageurs sous forme d’information sonore.
Le contrôle et la commande de l’ouverture, fermeture et verrouillage des portes du train ainsi que l’affichage des numéros des voitures sont généralement aussi assurés par un système de communication filaire. Le contrôle du verrouillage des portes des WC du train ainsi que le contrôle des indicateurs de disponibilité des WC sont aussi assurés via un système de communication filaire dédié.
Ces réseaux embarqués sont aussi utilisés pour des fonctions de contrôle et de commande à bord du train, telles que par exemple la commande de freinage. Le lecteur intéressé trouvera un état de l’art sur ces systèmes dans [I-3]
Les réseaux de communication filaires sont aussi utilisés à l’extérieur des trains, ils sont notamment associés aux circuits de voies (CdV) qui permettent la localisation des trains sur les voies et le contrôle de la signalisation latérale. Le CdV est un système de transmission par induction, qui utilise les rails pour connaitre l’état d’occupation des voies ou d’une portion de voies (appelée canton). Ce système fonctionne sur des fréquences de l’ordre de 200 kHz.
De façon générale, des réseaux filaires permettent de relier tous les équipements de voie au poste de contrôle-commande.

Les balises KVB

Le système KVB ou Contrôle Vitesse par Balises (l’initiale K est généralement utilisée pour ne pas confondre Contrôle avec Commande), est un système utilisé par la SNCF pour le contrôle de la vitesse des trains sur le réseau ferroviaire français et fonctionne sur une fréquence de l’ordre de 27 MHz pour le lien montant et de 4.5 MHz pour le lien descendant. Une première version de ce système a été utilisée dans les années 80 sur le réseau ferroviaire suédois. Il a par la suite été adapté pour être déployé en France.
Une première partie de ce dispositif est installée à bord du train, elle comporte principalement un ordinateur de bord connecté à une antenne fixée sous le train. Cette antenne communique avec des balises fixées au sol (fixées entre les deux rails de la voie) lorsque le train passe au-dessus de ces balises. La Fig. 1. 1. donne une photo d’une balise KVB fixée au sol.
En fonction des informations données par les balises, l’ordinateur de bord calcule les courbes de vitesse optimales que le train doit suivre et au cours du trajet compare la vitesse du train avec les courbes calculées. Le système informe ainsi le conducteur à chaque fois que la vitesse du train dépasse les vitesses définies par les courbes de vitesse calculées. Le non respect de ces courbes sur une distance prolongée, entraine un freinage d’urgence du train.
Le système KVB n’est pas initialement considéré comme un système de signalisation, c’est-à-dire qu’il ne permet pas la transmission des informations liées à la signalisation latérale, tel que les feux de signalisation. Il n’y a qu’à bord des trains à grande vitesse que le système KVB (qui utilise un autre type de balises appelées TVM 430) permet la transmission des signaux correspondant à la signalisation latérale.

Radio analogique

La radio est le moyen de communication qui se prête le mieux aux communications à moyenne ou longue distance entre le sol et les trains. Les gammes d’ondes les plus employées jusqu’à aujourd’hui à travers le monde sont les ondes VHF dans la bande 70-88 MHz ou dans la bande 155-220 MHz et les ondes UHF dans la bande 420-470 MHz.
Dans les années 60, la gestion et la régulation du trafic ferroviaire français étaient assurées par des feux de signalisation latéraux placés le long de voies.
En cas de problème observé sur la voie ou à bord du train, le conducteur du train pouvait utiliser des postes téléphoniques fixes placés le long des voies ferrées pour entrer en contact avec les régulateurs de trafic. Ceci, impliquait l’arrêt du train et la descente du mécanicien de bord pour utiliser les postes téléphoniques. Cette solution était peu fiable et inadaptée à une gestion optimisée du trafic ferroviaire.
Dans le milieu des années 70, un nouveau système de télécommunication analogique a été développé pour permettre un contact permanent entre les conducteurs des trains et les régulateurs du trafic ferroviaire. Ce système de télécommunication analogique appelé RST pour « Radio Sol Train » a nécessité l’implantation de stations radio fixes munies d’antennes le long des voies ferrées et l’installation de systèmes radio à bord des trains [I-4]
La radio a connu un essor considérable notamment en France avec le développement des équipements de radio sol-train à 450 MHz pour les communications vocales de services, puis avec le développement d’une transmission de données pour des applications de télé-contrôle et de télé-maintenance des équipements de trains (à partir de 1988 sur la ligne Paris-Rennes et 1989 pour le TGV Atlantique).
Au milieu des années 80, l’outil informatique a été combiné avec le système RST pour le rendre plus fiable et plus pratique. Ce système a été par la suite généralisé sur la majorité des lignes ferroviaires françaises.
Cependant, le système RST n’a pas été adopté par tous les pays du monde et chaque pays a opté pour un système qui lui était propre pour la gestion de son trafic ferroviaire.

Le système ERTMS

Dans chaque pays européen, la gestion du trafic ferroviaire est assurée par un système spécifique qui lui est propre. Ainsi les trains transfrontaliers qui circulent sur le continent européen sont équipés des différents systèmes de gestion de trafic des pays qu’ils traversent afin de pouvoir circuler sur ces différents réseaux.
Les problèmes de coût et les difficultés techniques rencontrés avec l’utilisation de ces différents systèmes de gestion de trafic, ont motivé l’élaboration d’une nouvelle solution permettant l’harmonisation des systèmes de gestion de trafic ferroviaire sur tout le territoire européen afin d’assurer l’interopérabilité des trains au sein de l’Union Européenne (UE).
Pour satisfaire cette volonté d’interopérabilité, l’industrie ferroviaire et l’industrie des télécommunications poussées par l’UE ont développé un système standardisé de gestion de trafic ferroviaire pour tous les pays européens appelé ERTMS dont les premières spécifications ont été publiées en 1994.
Le système ERTMS utilise principalement les sytèmes Eurobalise et Euroradio qui repose sur le système cellulaire numérique GSM-R.
Pour gérer le déploiement progressif du système ERTMS sur le réseau européen, 3 niveaux de déploiement ont été définis. Dans l’état le plus abouti du système (niveau 3), le train calcule sa position et la vérifie par l’intermédiaire des balises au sol puis la transmet au centre de contrôle via le système GSM-R.
Le train réceptionne des informations relatives aux autres trains qui circulent dans son voisinage également via le système GSM-R, puis il détermine seul ses consignes de mouvement. Ainsi, dans la version finale du système (niveau 3) la signalisation latérale aura totalement disparue.

Le système Eurobalise

Eurobalise est un système de communication qui assure la fonction de localisation ponctuelle des trains. Il utilise des balises fixées au sol (Fig. 1. 3.), le long des voies ferrées et une antenne embarquée d’émission-réception fixée sous les locomotives. Cette antenne est utilisée principalement pour télé-alimenter les balises au sol et capter les signaux EM envoyés par ces dernières vers le train pour l’informer de sa position.
Tout au long du parcours du train, l’antenne embarquée émet en continu une trame binaire connue à 27 MHz (lien descendant), permettant la télé-alimentation ou le « réveil » des balises au passage du train au-dessus d’une balise. Cette dernière capte la trame de réveil et réagit en envoyant au train une trame d’information à une fréquence proche de 4 MHz (lien montant) comportant des informations sur la localisation du train. Par ailleurs, certaines balises sont connectées au centre de régulation et peuvent donner au train, en plus des informations de localisation, des informations complémentaires sur les vitesses limites ainsi que les données de signalisation relatives à l’emplacement du train (comme les feux de signalisation). [I-5]

Le système GSM-R

Le système GSM-R (Global System for Mobile communication-Railways) est un système de communication sans fil numérique « Sol – Train » basé sur le standard de communication GSM qui permet la transmission de la voix et des informations de signalisation ferroviaires entre les trains et les centres de contrôle.
Afin d’assurer l’interopérabilité des trains sur le réseau ferroviaire européen, ce système est en cours de déploiement dans tous les pays européens. Hors Europe, d’autres pays ont aussi choisi ce système.
Le système GSM-R comporte deux parties :
– le BSS ou « Base Station Sub–system » composé :
des stations de base appelées BTS (Base Transceiver Station) installées au voisinage de la voie ferrée. Ces BTS sont connectées par des liaisons filaires avec les centres de contrôle et de maintenance (via les « BSC » pour Base Station Controller). La distance entre les stations de base est aujourd’hui comprise entre 6 et 17 km.
– les antennes GSM-R fixées sur le toit de la motrice (une sur chaque motrice) et un récepteur connecté à l’antenne GSM-R par l’intermédiaire d’un câble blindé (Fig. 1. 4).
En Europe, le système GSM-R utilise la bande 876 – 880 MHz pour les communications montantes (du train vers les stations de base) et la bande 921 – 925 MHz pour les communications descendantes (des stations de base vers le train). Ces deux bandes sont séparées par une bande de fréquence non attribuée au système GSM-R telle que le montre la Fig. 1. 5. Sur cette figure, la couleur bleue indique la bande GSM-R, la couleur rouge donne l’étalement fréquentiel de la bande GSM-P (GSM Public) et la couleur verte donne l’étalement fréquentiel de la bande GSM-E « Extended GSM ».

PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES RENCONTREES DANS LE DOMAINE FERROVIAIRE

D’un point de vue électromagnétique, une installation ferroviaire électrique est une structure complexe composée de plusieurs systèmes tels que les trains (matériel roulant), les installations électriques (caténaires, sous-stations…), les systèmes de télécommunication et les systèmes de contrôle. La cohabitation au sein de l’environnement ferroviaire de systèmes fonctionnant sur des fortes puissances et des systèmes de communication et de contrôle-commande véhiculant des signaux utiles de faible tension, rend ce milieu très sujet à des problèmes de CEM. En outre, ces systèmes sont dans plusieurs cas très proches les uns des autres et les mécanismes de couplages entre ces systèmes peuvent être multiples et variés. Toutes les perturbations électromagnétiques générées par les éléments précités sont intrinsèques à l’environnement ferroviaire.
Par ailleurs, les équipements ferroviaires peuvent également être soumis à des perturbations électromagnétiques extérieures à l’environnement ferroviaire, notamment à proximité des émetteurs de signaux RF situés dans le voisinage de l’infrastructure ferroviaire.
Naturellement, on peut penser que les limites géographiques de l’infrastructure ferroviaire sont définies par les limites spatiales des composants de l’infrastructure ferroviaire (gares, sous-stations, poteaux de caténaires…) ou par les clôtures murales ou métalliques grillagées disposées le long des voies ferrées. Les normes CEM relatives au domaine ferroviaire, qui seront présentées en détail dans la partie suivante, définissent par défaut les limites géographiques de l’environnement ferroviaire à 10 m de part et d’autre de l’axe central des voies ferrées ou à 3 m des murs des sous-stations. Cette limite géographique définie par les normes peut être justifiée dans l’environnement rural mais reste discutable dans le domaine urbain.
Partant du principe que chaque câble, composant, circuit ou système électrique ou électronique parcouru par un courant électrique peut être une source de perturbation électromagnétique pour tout système situé dans son voisinage, on peut supposer que le système ferroviaire est un environnement riche en sources de perturbations électromagnétiques.

Perturbations EM issues du matériel roulant

Au niveau du matériel roulant, les composants et systèmes électroniques de puissance au travers desquels les moteurs électriques des trains sont alimentés, utilisent des composants électriques et électroniques (diodes, thyristors, transistors, dispositifs de commande des thyristors et transistors, des commutateurs…etc) qui fonctionnent à des fréquences largement supérieures à 50 Hz et peuvent eux aussi générer des perturbations électromagnétiques sur des fréquences qui peuvent atteindre plusieurs kHz. Ce cas est souvent observé sur les hacheurs qui contrôlent les moteurs à courant continu ou les circuits de commutation employés par les inverseurs qui contrôlent les moteurs asynchrones [I-10]. Au sein du matériel roulant, des bruits électromagnétiques peuvent être générés lors des variations rapides de courant et de tension au moment des freinages par exemple. Les transistors de type IGBT, qui sont aussi utilisés au sein du matériel roulant, peuvent générer des perturbations électromagnétiques qui peuvent atteindre quelques MHz.
Les machines électriques utilisées dans le domaine ferroviaire, peuvent générer lors de leurs fonctionnements des perturbations électromagnétiques égales ou proportionnelles à leurs vitesses de rotation (vitesse de rotation du rotor qui peut être aussi appelé induit dans le cas des moteurs à courant continu). De plus, les moteurs électriques sont considérés comme des charges qui consomment une forte puissance réactive. La présence des charges réactives sur les réseaux ferroviaires est souvent source de courant harmonique sur le réseau électrique. Ces courants génèrent des perturbations EM à des fréquences égales aux fréquences des courants qu’ils injectent sur le réseau. Généralement, ces courants génèrent des perturbations EM sur des fréquences ne dépassant pas quelques kHz.

Perturbations EM provenant de l’infrastructure d’alimentation électrique

Le premier composant de l’infrastructure d’alimentation ferroviaire auquel on pense est la caténaire sur laquelle circule un courant élevé, qui peut être considérée comme un câble électrique alimenté par les sous-stations et sur lequel est branchée une charge mobile à forte dynamique (le train) [I-11] qui demande une grande puissance réactive. Le rail utilisé comme un conducteur pour les courants de retour, peut aussi présenter une source de rayonnement EM sur les bandes de fréquence couvertes par les courants harmoniques.
La caténaire, qui a un comportement fortement inductif, [I-12] peut non seulement causer des chutes élevées de la tension d’alimentation du train le long de son parcours mais peut aussi être une source de rayonnement de perturbations électromagnétiques importantes. De plus, dans le cas des alimentations électriques fonctionnant à 25 000 V AC 50 Hz, les trains sont généralement équipés d’électronique de puissance (transformateurs, redresseurs, hacheurs…). Ces dispositifs sont connus pour causer des problèmes de pollution des réseaux électriques, en injectant des courants harmoniques sur le réseau d’alimentation et les caténaires, et par voie de conséquence, les caténaires et les rails peuvent émettre ces perturbations électromagnétiques à des fréquences supérieures à 50 Hz et pouvant aller jusqu’à quelques kHz [I-10]. Ceci peut devenir pénalisant lorsque la fréquence des courants harmoniques peut atteindre les fréquences de résonance des caténaires. Pour limiter ce phénomène, on utilise généralement un ensemble de filtres adéquats (utilisant principalement la technique de Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI)) [I-13] afin d’éliminer ces courants parasites, mais ces solutions restent encore chères et complexes de réalisation.
Concernant les sous stations, qui comportent principalement des transformateurs, les perturbations EM qui peuvent être générées sont semblables, en termes de bandes de fréquence, à celles observées à bord des trains et ne dépassent pas quelques kHz.
De plus, il faut préciser que les opérations de commutation au niveau des commutateurs « switchs » utilisés dans les sous stations et à bord des trains peuvent générer des perturbations électromagnétiques transitoires rapides et donc large bande qui peuvent atteindre quelques MHz [I-14] et dans quelques cas les fréquences UHF [I-15].
La Fig. 1. 8. résume les bandes de fréquences couvertes par les phénomènes transitoires rencontrés dans toute installation électrique associant des composants d’électronique de puissance, transformateurs… [I-16]
La Fig. 1. 8. montre que les perturbations électromagnétiques transitoires rencontrées au sein d’une installation électrique génèrent des champs électromagnétiques qui couvrent des bandes de fréquences qui peuvent atteindre quelques MHz.

Perturbations EM issues des événements EM transitoires qui apparaissent entre la caténaire et le pantographe

Outre les perturbations transitoires observées au niveau des systèmes électroniques de puissance, des transitoires rapides peuvent apparaitre entre la caténaire et le pantographe lors d’un mauvais contact entre eux. Parfois, ces transitoires peuvent être observés à l’œil nu sous forme d’arcs électriques qui apparaissent entre la caténaire et le pantographe en particulier la nuit et en période de gel.
En effet, le captage de courant est assuré durant le trajet par un contact glissant entre la caténaire et le pantographe. L’adhérence de ces deux composants durant le parcours du train peut sur quelques points du trajet devenir faible et on observe ainsi un décollement entre la caténaire et le pantographe.
A ce moment, une chute de courant très rapide apparait au niveau de « l’air gap » qui se crée entre deux points de potentiels différents (caténaire et pantographe), telle que le montre la Fig. 1. 9. Cette chute rapide de potentiel est à l’origine d’un bruit électromagnétique transitoire rapide [I-17]. Comme cela a été précisé au-dessus, ces perturbations transitoires peuvent couvrir des fréquences très hautes qui atteignent les bandes de fréquence UHF, donc supérieures à 300 MHz.
Caténaire Evénement.
Le phénomène de décollement de la caténaire du pantographe est généralement corrigé par des systèmes mécaniques (vérins pneumatiques) qui permettent de surélever le pantographe pour le recoller à la caténaire. Malheureusement, le temps de réaction des vérins mécaniques est généralement plus long que la durée des phénomènes transitoires, leur apparition est donc inévitable.
Ces transitoires peuvent générer des perturbations électromagnétiques large spectre [I-18] et se produisent aléatoirement. [I-17]. Il a été observé que les perturbations EM transitoires produites au niveau des pantographes peuvent être détectées à 120 mètres du train dans la bande VHF [I-19]. Sachant que les antennes GSM-R sont généralement fixées au-dessus de la locomotive, donc à proximité du pantographe, on peut intuitivement penser que ces antennes GSM-R peuvent subir des amplitudes très élevées de champ électromagnétique lors de l’apparition de ces phénomènes. Ces événements transitoires nécessitent donc une attention particulière puisqu’ils peuvent être pénalisants pour le bon fonctionnement du système GSM-R.
On verra dans la suite de la thèse que ces phénomènes transitoires sont les perturbations EM qui risquent le plus de perturber le système GSM-R.

Perturbations EM externes au domaine ferroviaire

Dans le passé, l’environnement ferroviaire ne comportait pas de système de télécommunication sensible embarqué à bord des trains et on ne s’intéressait donc pas aux perturbations EM externes à l’environnement ferroviaire, et généralement cet environnement était considéré comme une source de perturbations EM pour les structures et installations qui lui sont voisines et non l’inverse. Depuis l’intégration récente de plusieurs systèmes sensibles, tels que le système GSM-R, le WiFi, Bluetooth…, on commence à se demander si ces systèmes peuvent être gênés par la pollution EM urbaine.
Hormis des phénomènes très ponctuels tels que la foudre ou certaines installations industrielles employant des puissances très élevées, les principales sources de perturbations EM externes au domaine ferroviaire sont les émissions électromagnétiques volontaires (émetteurs de radio, émetteurs de télévision, téléphones mobiles, radars…) qui peuvent perturber les systèmes d’information et de communication à bord des trains, dès lors que les canaux de fréquences employés sont proches ou identiques.
Ces risques sont plus fréquents en environnement urbain. La densité de population élevée dans ces zones ainsi que le grand nombre d’émetteurs font que plusieurs canaux de communication sont exploités, et les risques d’interférences sur les communications employées à bord des trains sont très importants. Sous ces conditions, les amplitudes de bruit EM qui peuvent être observées sur les canaux employés par les systèmes embarqués sont susceptibles d’être très élevées.

NORMES CEM RELATIVES AU DOMAINE FERROVIAIRE

Description des normes 50121

Objectifs des normes

Au niveau européen, le contrôle des émissions et de l’immunité électromagnétique dans le domaine ferroviaire est soumis à la série des normes EN 50121 [I-20]. Ces normes décrivent les tests à réaliser sur les équipements, les véhicules et l’infrastructure ferroviaire afin de contrôler leur compatibilité électromagnétique et définissent les niveaux d’émission et d’immunité électromagnétique à respecter.
Cette série de normes comportent cinq parties
• La norme 50121-1 : Généralités :
Elle décrit le comportement électromagnétique du système ferroviaire
• La norme 50121-2 : Emission du système ferroviaire dans son ensemble vers le monde extérieur :
Elle définit les limites d’émission du système ferroviaire vers le monde extérieur, en décrivant les méthodes d’essais à réaliser et les valeurs limites autorisées de bruits électromagnétiques générés sur l’environnement extérieur.
• La norme 50121-3 : Matériel roulant :
Elle est divisée en deux parties. La première partie présente les limites d’émissions de tout type de matériel roulant, et la deuxième partie décrit les limites d’émission de chaque élément électrique ou électronique destinés à équiper les matériels roulants.
• La norme 50121-4 : Emission et immunité des appareils de signalisation et de télécommunication:
Elle définit les limites d’émission et d’immunité électromagnétique des appareils de signalisation et de télécommunication dans le domaine ferroviaire et décrit les tests à réaliser pour évaluer les problèmes CEM liés à ces systèmes de signalisation.
• La norme 50121-5 : Emission et immunité des installations fixes d’alimentation de puissance et des équipements associés :
Elle définit les limites d’émission et d’immunité électromagnétique des installations fixes. Les tests CEM relatifs à ces installations sont aussi décrits dans cette partie.
Notre objectif étant d’estimer les perturbations électromagnétiques que peuvent subir les systèmes embarqués à bord des trains, on peut penser utiliser les limites d’émission électromagnétique autorisées par les normes EN 50121 pour nous donner une idée sur les niveaux de perturbations que peuvent subir ces systèmes de télécommunication embarqués.

Caractérisation EM des émissions rayonnées par le système ferroviaire selon la norme EN 50121

Les émissions EM des équipements embarqués sont contrôlées en laboratoire et sont couvertes par la section 3 de la norme EN 50121. Le contrôle des émissions du système ferroviaire dans son ensemble consiste généralement à vérifier les émissions EM à 10 mètres de l’axe central des voies ferrées ou à 3 mètres des sous-stations et à une hauteur de 1 ou 3 mètres par rapport au niveau des voies ferrées. Un analyseur de spectre connecté à cette antenne permet de mesurer le bruit électromagnétique généré lors du passage d’un train devant le point de mesure.
Les normes donnent des limites d’émission EM dans le domaine fréquentiel sur une bande de fréquence allant de 9 kHz à 1 GHz. Cette large bande de fréquence est divisée en 3 sous-bandes de fréquence [9 kHz 150 kHz], [150 kHz 30 MHz] et [30 MHz 1 GHz]. Pour chaque sous bande de fréquence, la norme donne des précisions sur les paramètres de configuration de l’analyseur de spectre et la valeur limite de champ électromagnétique correspondante. Ces limites sont présentées sous forme d’abaques donnant l’amplitude de champ magnétique limite (en dBµA/m) sur les bandes de fréquence allant de 9 kHz à 30 MHz et l’amplitude de champ électrique (en dBµV/m) limite sur la bande de fréquence allant de 30 MHz à 1 GHz. (Fig. 2. 1.)

Références utilisées dans ces normes

Les normes EN 50121 sont généralement basées sur les méthodes de mesure définies par les normes du Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques CISPR 16 [I-21, I-22], CISPR 18 [I-23] et CISPR 22 [I-24].
Les normes CISPR sont initialement pensées pour la protection des systèmes analogiques, c’est-à-dire que les méthodes de mesure des perturbations EM préconisées par ces standards ont été adaptées à une mesure de bruit électromagnétique permettant d’obtenir une image du bruit EM tel que le voient les systèmes analogiques.
A titre d’exemple, les largeurs des bandes de résolution définies dans ces normes, correspondent généralement à la largeur des filtres d’entrée des systèmes de communication analogiques. L’immunité d’un système analogique est vérifiée en faisant le rapport entre le bruit recueilli et le niveau de couverture du signal utile, soit le rapport signal à bruit (SNR). En revanche, le système GSM-R utilise des protocoles élaborés qui lui permettent notamment de rectifier des données binaires erronées… De ce fait, il est possible que l’analyse des perturbations EM environnantes doive se faire d’une manière différente par rapport aux systèmes analogiques.

Besoins normatifs pour protéger les nouveaux systèmes de gestion de trafic

Malheureusement, les limites d’émission en champ électromagnétique qui sont données dans les différentes parties de la norme EN 50121 ne peuvent fournir aucune indication sur les amplitudes de champ électromagnétique que risquent de subir les systèmes embarqués à bord du train. En effet, les amplitudes de champ électromagnétique considérées dans ces normes correspondent principalement aux niveaux de bruit électromagnétique que génère l’environnement ferroviaire sur son voisinage et ne donnent aucune indication sur le bruit électromagnétique présent au niveau des antennes des systèmes de communication embarqués à bord du matériel roulant, par exemple sur le toit de la locomotive.
Les nouveaux systèmes embarqués pour la gestion du trafic ferroviaire fonctionnent désormais sur des bandes de fréquence plus élevées par rapport aux anciens systèmes analogiques que les standards EN 50121 visent à protéger. Le système GSM-R fonctionne sur des fréquences proches de 1 GHz alors que le système RST utilise une bande de fréquence proche des 470 MHz. Cette augmentation de fréquence, introduit de nouveaux problèmes de compatibilité électromagnétique. En effet, à des fréquences élevées, la position de l’antenne par rapport à la source d’émission influe davantage sur l’amplitude de l’onde électromagnétique mesurée. Ainsi, les niveaux de bruit EM mesurés à 10 mètres des voies, comme le préconisent les normes EN 50121, peuvent être très différents de ce qu’il est possible de mesurer sur une antenne embarquée.
Comme cela a été dit précédemment, les méthodes de mesures employées dans les normes EN 50121 s’inspirent de méthodes de mesure des champs radioélectriques décrites dans les normes CISPR 16, CISPR 18 et CISPR 22. Ces normes décrivent généralement des protocoles de mesures adaptés au contexte des systèmes électriques/électroniques analogiques et ne sont pas nécessairement adaptées au contexte des systèmes numériques.
De ce fait, les normes EN 50121 ne sont pas adéquates à la protection des systèmes numériques intégrés au sein de l’environnement ferroviaire et fonctionnant sur des bandes de fréquences élevées, tels que le système GSM-R qui nous intéresse dans le cadre de ce travail et qui fonctionne sur des bandes de fréquence proche de 1 GHz.
En conclusion, les normes EN 50121 ne permettent pas de déterminer de façon complète le champ électromagnétique observé au niveau des antennes d’émission/réception des systèmes embarqués à bord des trains.
Dans ce contexte, il convient de développer de nouvelles méthodes de caractérisation de l’environnement électromagnétique ferroviaire adaptées au contexte des nouveaux systèmes de télécommunication numériques embarqués à bord des trains et déployés le long de l’infrastructure. Les nouvelles méthodes doivent permettre de caractériser l’environnement électromagnétique ferroviaire à l’endroit des antennes d’émission-réception de ces systèmes embarqués afin de permettre d’étudier l’immunité des systèmes numériques de télécommunication embarqués face aux perturbations de toutes natures, notamment les perturbations transitoires rencontrées à bord des trains.

COMMENT ASSURER LA CEM DU SYSTEME GSM-R AU SEIN DU MILIEU FERROVIAIRE

Face à l’importance du rôle du système GSM-R dans le futur réseau ferré européen, son immunité face aux perturbations EM rencontrées au sein de l’environnement EM ferroviaire doit être rigoureusement vérifiée. Etant données les particularités de fonctionnement du système GSM-R par rapport aux systèmes analogiques, il est peu approprié de mener des essais selon des méthodes de tests traditionnelles qui sont mal adaptées à ce type de système et qui ne permettent pas d’aboutir à des données représentatives des contraintes électromagnétiques les plus néfastes. Afin de développer une méthode efficace en vue d’assurer la CEM entre le système GSM-R et le milieu ferroviaire il convient dans un premier temps d’identifier les sources de perturbations EM qui risquent d’être les plus pénalisantes pour les transmissions GSM-R puis de caractériser les bruits EM provoquant des erreurs non corrigées dans les données.
L’identification et la caractérisation de ces perturbations EM permettra d’adapter les méthodes développées pour contrôler l’immunité de ce système embarqué.

Développement d’une méthodologie de caractérisation des perturbations EM reçues par les antennes GSM-R

L’étude de ces perturbations vise à donner des résultats exploitables permettant de tester l’immunité du système GSM-R face aux conditions réelles qu’il peut rencontrer à bord d’un train en mouvement. Il faudra donc caractériser le bruit EM à l’endroit de fixation des antennes GSM-R.
Par ailleurs, les sources de perturbations électromagnétiques qui peuvent affecter les signaux utiles du système GSM-R sont celles qui peuvent couvrir les fréquences utilisées par le GSM-R. On peut citer :
– Les perturbations EM émises par les antennes relais du réseau GSM public qui peuvent émettre sur des canaux adjacents aux canaux du système GSM-R et causer des problèmes d’interférence sur le système GSM-R.
– Les événements EM transitoires qui trouvent leurs sources entre la caténaire et le pantographe lors d’un mauvais contact entre ces deux composants. Ces événements EM générés sont courts en temps, donc large bande dans le domaine fréquentiel et apparaissent à proximité des antennes GSM-R.
Grâce aux bandes de garde souvent prises en compte pour éviter les problèmes d’interférences EM générées par le système GSM public, les interférences entre ces deux systèmes devraient être limitées. En revanche, les perturbations EM transitoires qui apparaissent entre la caténaire et le pantographe sont des phénomènes large bande qui peuvent couvrir les bandes de fonctionnement du système GSM-R et peuvent générer des amplitudes de perturbation assez élevées par rapport aux niveaux de couvertures du système GSM-R.
Face à des perturbations EM de ce type, une caractérisation dans le domaine temporel semble plus appropriée qu’une caractérisation dans le domaine fréquentiel. Les différentes méthodes de caractérisation seront présentées dans le prochain chapitre de la thèse.

Adapter les méthodes de test d’immunité pour les systèmes numériques embarqués

Initialement, la « Radio Sol Train » assurait uniquement la transmission de la voix entre les conducteurs et les centres de régulation de trafic. Ainsi, dès lors que des perturbations EM survenaient, cela se traduisait par une dégradation de la compréhension du message et le conducteur pouvait réagir en renouvelant l’appel ou en demandant à son interlocuteur de répéter. Désormais, le système GSM-R devra non seulement assurer la transmission de la voix mais également la transmission des données de signalisation et de contrôle-commande. Pour ces données, le conducteur devra faire totalement confiance à la fiabilité du système de transmission car il n’aura aucun moyen de détecter l’effet éventuel de perturbations EM sur l’intégrité des données transmises. C’est pour cette raison que ce système exige une étude en immunité EM amont et rigoureuse, garantissant la fiabilité du système au sein de l’environnement EM ferroviaire. Il faut donc mener des essais face à des bruits EM représentatifs des conditions réelles et qui ne sont pas nécessairement reproduites dans les différentes méthodes de test standardisées.
De plus, le système GSM-R est un dispositif numérique employant le mode d’accès TDMA et qui possède un pouvoir de correction. Alors, pour mener des essais d’immunité adaptés à ce type de système, il faut considérer toutes ces caractéristiques qui le distinguent des systèmes analogiques et qui peuvent agir sur sa tolérance aux perturbations EM. Il faut par conséquent employer des critères d’immunité adaptés à ce type de système et fixer les limites d’immunité en fonction des exigences de qualité de service attendues dans le milieu ferroviaire. En effet, on ne peut pas analyser la qualité de transmission d’un système numérique de la même manière qu’un système analogique et ignorer les capacités de correction d’erreurs de ces dispositifs.

Table des matières

CHAPITRE 1
I. EVOLUTION DE L’INFRASTRUCTURE FERROVIAIRE
II. SYSTEMES DE COMMUNICATION ET DE GESTION DE TRAFIC DANS LE DOMAINE FERROVIAIRE
1. Réseaux de communication filaires
2. Les balises KVB
3. Radio analogique
4. Le système ERTMS
4.1. Le système Eurobalise
4.2. Le système GSM-R
III. PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES RENCONTREES DANS LE DOMAINE FERROVIAIRE
1. Perturbations EM issues du matériel roulant
2. Perturbations EM provenant de l’infrastructure d’alimentation électrique
3. Perturbations EM issues des événements EM transitoires qui apparaissent entre la
caténaire et le pantographe
4. Perturbations EM externes au domaine ferroviaire
IV. NORMES CEM RELATIVES AU DOMAINE FERROVIAIRE
1. Description des normes 50
1.1. Objectifs des normes
1.2. Caractérisation EM des émissions rayonnées par le système ferroviaire selon la norme EN
1.3. Références utilisées dans ces normes
2. Besoins normatifs pour protéger les nouveaux systèmes de gestion de trafic
V. COMMENT ASSURER LA CEM DU SYSTEME GSM-R AU SEIN DU MILIEU FERROVIAIRE
1. Développement d’une méthodologie de caractérisation des perturbations EM reçues par les antennes GSM-R
2. Adapter les méthodes de test d’immunité pour les systèmes numériques embarqués
CHAPITRE 2
I. CARACTERISATION DES ENVIRONNEMENTS ELECTROMAGNETIQUES
1. Caractérisation dans le domaine fréquentiel
1.1. Description
1.2. Avantages et inconvénients d’une caractérisation dans le domaine fréquentiel
1.2.1. Les avantages de la méthode de caractérisation dans le domaine fréquentiel
1.2.2. Les inconvénients de la méthode de caractérisation dans le domaine fréquentiel
2. Caractérisation dans le domaine temporel
2.1. Description de la méthode employée pour une caractérisation dans le domaine temporel
2.2. Avantages et inconvénients de la méthode de caractérisation dans le domaine temporel
2.2.1. Les avantages de la méthode de caractérisation dans le domaine temporel
2.2.2. Les inconvénients de la méthode de caractérisation dans le domaine temporel
II. MISE EN OEUVRE DES METHODES DE CARACTERISATION ELECTROMAGNETIQUE A BORD D’UN TRAIN EN MOUVEMENT ET POSTTRAITEMENTS ASSOCIES
1. Description des campagnes de mesure
2. Mesures dans le domaine fréquentiel
2.1. Comparaison des comportements des deux antennes avec le protocole de mesure adopté .
2.2. Influence de la bande de résolution (RBW) de l’analyseur de spectre sur la mesure des événements transitoires observés par les antennes GSM-R à bord d’un train en mouvement
2.3. Influence du type de l’électrification sur les niveaux de bruit EM générés sur les antennes GSM-R embarquées
3. Mesures dans le domaine temporel
3.1. Description de la configuration de la mesure
3.2. Post traitement appliqué sur les mesures temporelles
3.2.1. Passage du domaine temporel vers le domaine fréquentiel
3.2.2. Application de l’algorithme « Maxhold »
III. COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS PAR LES DEUX METHODES DE CARACTERISATION
1. Description de la configuration de mesure pour comparer les résultats de mesure obtenus par les deux méthodes de caractérisation
2. Confrontation des résultats
IV. ANALYSE ET CRITIQUE DE CES RESULTATS POUR ETUDIER L’IMMUNITE DU SYSTEME GSM-R PAR RAPPORT A CET ENVIRONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE
1. Perturbations électromagnétiques permanentes qui peuvent agir sur l’immunité du système GSM-R
2. Perturbations électromagnétiques transitoires qui peuvent agir sur l’immunité du système GSM-R
V. NOUVELLE APPROCHE PERMETTANT LA CARACTERISATION DU BRUIT EM TRANSITOIRE EN VUE D’ETUDIER L’IMMUNITE DU SYSTEME GSM-R
CHAPITRE 3
I. CLASSIFICATION DES BRUITS EM RECUS PAR LES ANTENNES GSM-R
1. Paramètres choisis pour la classification des perturbations EM transitoires reçues par les antennes GSM-R
2. Bancs de mesure développés pour accéder aux paramètres de classification
2.1. Banc de mesure développé pour accéder aux paramètres intrinsèques des perturbations électromagnétiques transitoires
2.2. Banc de mesure développé pour accéder aux paramètres temporels des rafales de perturbations EM transitoires
3. Conditions de mesure à bord du train et récapitulatif sur la quantité de données collectée 90
II. ANALYSE DES CARACTERISTIQUES TEMPORELLES (TM, DT) ET D’AMPLITUDE CRETE (A) DES EVENEMENTS TRANSITOIRES OBSERVES A BORD D’UN TRAIN EN MOUVEMENT
1. Temps de montée
2. Durée temporelle
3. Amplitude crête (A)
III. ETUDE DES INTERVALLES DE TEMPS (IT) QUI SEPARENT LES PERTURBATIONS EM TRANSITOIRES SUCCESSIVES OBSERVEES A BORD D’UN TRAIN EN MOUVEMENT
1. Importance du nombre d’occurrences des événements transitoires à bord du train
2. Algorithme de comptage des signaux transitoires
3. Exploitation des résultats
IV- ETUDE STATISTIQUE DES CARACTERISTIQUES TEMPORELLES ET D’AMPLITUDE DES BRUITS EM TRANSITOIRES RENCONTRES DANS LE DOMAINE FERROVIAIRE
1. Etude statistique des temps de montée des événements EM transitoires captés par une antenne GSM-R fixée au-dessus du toit d’un train en mouvement
2. Caractérisation statistique des durées des événements EM transitoires captés par une antenne GSM-R fixée au-dessus du toit d’un train en mouvement
3. Impact de la bande passante des antennes sur les caractéristiques temporelles des perturbations EM transitoires
1. Impact de la bande passante des antennes sur les temps de montée
2. Impact de la bande passante des antennes sur les durées
4. Etude statistique des Amplitudes crêtes (A) des événements EM transitoires observés par une antenne GSM-R fixée au-dessus du toit d’un train en mouvement
5. Etude statistique des intervalles de temps (IT) qui séparent l’apparition des événements EM transitoires successifs observés par une antenne GSM-R fixée au-dessus du toit d’un train en mouvement
V. CONCLUSION
CHAPITRE 4
I. METHODES EMPLOYEES POUR L’ETUDE DE L’IMMUNITE DES SYSTEMES ELECTRONIQUES FACE A DES PERTURBATIONS EM TRANSITOIRES
1. Méthodes actuelles
2. Banc de test mis en oeuvre au sein du laboratoire
II. DISCUSSION SUR LES SIGNAUX TESTS A APPLIQUER POUR L’ETUDE DE L’IMMUNITE DU SYSTEME GSM-R
1. Modèle des perturbations transitoires reçues par les antennes GSM-R
2. Déformation du modèle transitoire par le banc de test
3. Définition du signal test
III. ANALYSE DES PARAMETRES LES PLUS INFLUENTS SUR LES RESULTATS DE TEST D’IMMUNITE
1. Récurrence des phénomènes transitoires
2. Niveau de bruit EM généré sur la bande GSM-R
IV. VARIATIONS DES PARAMETRES LES PLUS INFLUENTS SUR LES TESTS D’IMMUNITE POUR ETRE REPRESENTATIF DES CONDITIONS REELLES
1. Variations des intervalles de temps entre les perturbations EM transitoires
2. Variation du Rapport Signal à Bruit
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
ANNEXES
BIBLIOGRAPHIE

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