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Remerciements       Nous tenons à remercier nos tuteurs de projet M. Didier MEIER, Responsable de laVA RCM ainsi que M. Xa...
SOMMAIRE1 – Introduction ....................................................................................................
1 – Introduction       A. Présentation du projet ESIGETEL de 3ième année        Lors de la troisième et dernière année de ...
B. Présentation du projet PERSEUS        Le projet PERSEUS (Projet Étudiant de RechercheSpatiale Européen Universitaire et...
Les différents concepts de nano lanceurIl existe actuellement 3 concepts de nano lanceur concernant le projet PERSEUS : le...
Caractéristiques du lanceur        Géométrie : La géométrie du lanceur doit être très simple car ils’agit de rester dans u...
Vitesse en fonction du temps :                            9000                            8000                            ...
C. Présentation de notre projet       Notre projet d’études fait partie intégrante du projet PERSEUS, tout en respectantno...
Conduite de Projet       Pour mener à bien notre projet nous avons dû mettre en place une certaineméthodologie afin de nou...
2/ Description de l’environnement et des outils utilisés :          A. Satellite Tool Kit :        STK, développé par la s...
Une fois ce fichier créé, STK nous permet d’obtenir rapidement l’allure de latrajectoire du lanceur. De nombreux autres ou...
B. Matlab – Simulink :      Le principal outil utilisé au cours de notre projet est Matlab 6.1 Release 12 ainsi queson mod...
3/ Chaîne de transmission       A. Définitions                            Figure 3-A-1 : Chaîne de transmissionNous allons...
Canal :    Le canal radio est un modèle qui permet de caractériser l’interface entre l’émission et laréception. Un canal p...
Standard CCSDS    Le CCSDS (Consultative Committee for Space Data System) est une organisationinternationale constituée de...
Deux principales structures de données sont définies dans le « packet telemetry » :   Le paquet source :    Le paquet sour...
Trames de transfert         Cette trame est de taille fixe et est constituée des paquets sources. Elle permet lafiabilité ...
Il existe des recommandations au niveau du CCSDS au niveau du codage du canal ainsiqu’au niveau du choix du code correcteu...
On peut comparer les performances de ces différents codes afin de comprendrepourquoi le CCSDS recommande d’utiliser ce cod...
Modulation :Nous travaillons pour des débits de 100 Kbits/s à 1 Mbits/s :     Figure 3-B-7 : Modulations recommandées NASA...
C. Bilan de liaison      Nous avons réalisé notre bilan de liaison Station au sol - Lanceur en nous aidant desrecommandati...
b) L’hétérosphère :       On définit deux couches principales :                  La thermosphère                  L’exosph...
Couche F : altitude de 150 à 800 Km, pression 1.10-4 Pa, température 1000°C densité       électronique 106 (il doit s’agir...
2. Climat       La deuxième source d’atténuation est le climat. Selon la recommandation de l’ITU-R838-3 l’atténuation intr...
3. Effet Doppler    Lorsque le récepteur et la source se déplacent lun par rapport à lautre, la longueur dondeà la récepti...
4. Calculs        On pourra donc considérer que la seule atténuation pour notre calcul du bilan deliaison est l’affaibliss...
Calcul de la distance maximale entre la station au sol et le lanceur (cas d’une seule station)Coordonnées de départ : (5°1...
o On calcule la puissance de bruit       Le bruit thermique est dû au mouvement des électrons dans les conducteurs. Lapuis...
4 - Simulation de la Chaîne de transmission       A. Choix du canal        Dans le cadre de notre projet, nous avons chois...
On peut donc caractériser un canal de Rice par le facteur K tel que :                                    puissance _ coher...
2. Pourquoi elles n’ont pas été retenues :        Les modulations à amplitude n’ont pas été retenues bien que simples à ré...
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A noter que les filtrages sont réalisés en bande de base, ce qui permet d’alléger lesfacteurs de coûts, de poids de matéri...
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La modulation GMSK permet de produire des signaux de porteuse à enveloppeconstante, doù labsence de variations damplitude ...
C. SimulationUne seule station sans CCENous avons choisi d’étudier trois différentes modulations :       • QPSK – OQPSK   ...
-3   -5       Nous avons retenu deux taux de BER pour notre étude, 10 et 10 , figurant parmi lestaux d’erreur les plus sou...
C                                    -5       On obtient ainsi un     limite de 13.5 dB pour un BER de 10 et 10.5 dB à un ...
Modulation GMSK 0.5:                   Figure 4-C-2: Performance GMSK 0.5 (CCSDS B20.0-Y-2).     Nous pouvons ainsi obteni...
Modulation 2-PSK (BPSK):                     Figure 4-C-3: Courbe de performance BER BPSK      Cette modulation est en gén...
Calcul des C/N en réception :      Débit en kbps    C/N en dB en réception                 100                     13.7   ...
D. Optimisation                   1. Ajout de CCE :    Pour nos trois modulations étudiées, seul un débit de 100 Kbits/s p...
On doit avoir un C/N supérieur seuil de 13.5dB :           Pour assurer un débit de 100 Kbits/s il faut ajouter un code co...
BER de 10-3QPSK    Code           Gain de codage          Nouveau C/N en dB               Marge de 5 dB  correcteur       ...
BPSK :   Code          Gain de codage           Nouveau C/N en dB            Marge de 5 dB déduite correcteur             ...
2. Ajout d’une station        On place une nouvelle station de réception dur la côte Est de la Martinique dans laville du ...
250 km                             1021 km      Arrivée                               1533 km                             ...
Or la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km. Onprendra donc cette valeur comme référence a...
GMSK 0.5  Débit en kbps     C/N en réception             100              16.7012             500                9.715    ...
BPSK          Comme nous l’avons vu précédemment pour assurer un BER de 10-5 il faut un c/n de9.6 dB.      La distance à p...
3. Conclusion puissance :Dans nos conditions de simulation, à savoir :   -   Puissance d’émission : 30dBm   -   Gain émiss...
4. Conclusion faisabilité :      Plusieurs choix seraient alors possibles. Le choix d’assurer un débit utile de100Kbits/s ...
5. Conclusion        Participer à un projet de l’ampleur de Perseus aura été une expérience trèsenrichissante pour nous. E...
6. GlossaireBER:      Bit-Error-RateCCSDS:    Consultative Committee for Space Data SystemsESA:      European Space Agency...
7. BibliographieCCSDS:   •   100.0-G-1 Telemetry Summary of Concept and Rationale.   •   130.1-G-1 TM Synchronization and ...
8. AnnexesTaux de précipitation pour le continent Américain                                          - 57 -
Aperçu des performances de certains codes correcteurs                                         - 58 -
Code de la fonction « bilan.m »%------------------------------------------------------% Calcul du rapport C/N en réception...
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Rapport perseus telecom

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Rapport perseus telecom

  1. 1. Seddik AMARAFlorent MORLATSofiane YOUSFIDéfinition de la chaîne de transmission des télémétries d’un lanceur spatial pendant la phase de lancement - Projet d’études 3ème Année VA RCM 2006-2007 -1-
  2. 2. Remerciements Nous tenons à remercier nos tuteurs de projet M. Didier MEIER, Responsable de laVA RCM ainsi que M. Xavier LE POLOZEC, Responsable Produits Radio InfrastructureMobile chez Ericsson pour nous avoir guidé et fourni de nombreuses documentationstechniques. Nous tenons de plus à remercier plus particulièrement M. Gérard AUVRAY,Ingénieur chez Alcatel-Lucent et responsable du sujet de ce projet ainsi que M. FabienAMOUROUX, responsable du projet PERSEUS pour nous avoir confié ce projet. Enfin, nous tenons à remercier M. Bruno REMY, Directeur Technique chez AgeniumSolutions pour toute l’aide qu’ils nous ont apportée dans l’utilisation du logiciel STK. -2-
  3. 3. SOMMAIRE1 – Introduction ..................................................................................................... 4 A. Présentation du projet ESIGETEL de 3ième année ........................................ 4 B. Présentation du projet PERSEUS ................................................................. 5 C. Présentation de notre projet........................................................................... 92/ Description de l’environnement et des outils utilisés : ................................... 11 A. Satellite Tool Kit :....................................................................................... 11 B. Matlab – Simulink :..................................................................................... 133/ Chaîne de transmission ................................................................................... 14 A. Définitions................................................................................................... 14 B. Etat de l’art .................................................................................................. 15 C. Bilan de liaison............................................................................................ 224 - Simulation de la Chaîne de transmission....................................................... 30 A. Choix du canal ............................................................................................ 30 B. Choix des modulations............................................................................... 31 C. Simulation ................................................................................................... 37 D. Optimisation................................................................................................ 435. Conlusion......................................................................................................... 546. Glossaire.......................................................................................................... 557. Bibliographie ................................................................................................... 568. Annexes ........................................................................................................... 57 -3-
  4. 4. 1 – Introduction A. Présentation du projet ESIGETEL de 3ième année Lors de la troisième et dernière année de notre cursus à l’ESIGETEL, nous avons eu àréaliser un projet. Ce projet a tenu une place prépondérante toute au long de l’année scolaireet a marqué la fin de celle-ci par une soutenance du projet devant le corps enseignant etéventuellement devant des entreprises invitées.Le projet réalisé sur l’ensemble de l’année nous permettra de mettre en application lesdifférentes connaissances acquises toute au long de notre cycle dans l’école. Le projet estdivisé en 3 parties. La première partie concernant une étude bibliographique menée surenviron les 5 premières semaines. Cette étude précèdera une pré-soutenance en anglais.Ensuite les 8 semaines suivantes seront consacrées aux aspects théoriques. Enfin la réalisationtechnique se consacrera aux 5 dernières semaines. -4-
  5. 5. B. Présentation du projet PERSEUS Le projet PERSEUS (Projet Étudiant de RechercheSpatiale Européen Universitaire et Scientifique), initié par leCNES (Centre National des Etudes Spatiales), a étéofficiellement présenté le 13 juin 2005 à loccasion du SalonInternational du Bourget. L’objectif de ce projet est de développer et de qualifier envol un système de lancement complet après un développementprogressif comportant la qualification des principalestechnologies : propulsion, structure, avionique, systèmesélectriques... La mission de référence retenue pour les premières études systèmes est la mise en orbite polaire à 250 km d’altitude d’une charge utile de 10 kg. Cette mission sera par la suite affinée en fonction des différentes études sur les nano-satellites. La particularité principale du projet PERSEUS est son développement. Ainsi les travaux de développement sont confiés exclusivement à des équipes universitaires : étudiants, enseignants, chercheurs. Ainsi ce programme doit favoriser l’émergence de concepts et technologies innovantes. -5-
  6. 6. Les différents concepts de nano lanceurIl existe actuellement 3 concepts de nano lanceur concernant le projet PERSEUS : le conceptNLV-LR et 2 concepts Supaéro. Le NLV-LR : l’idée à la base est d’évaluer ce qu’il serait possible de réaliser aujourd’hui avec les technologies actuelles sans chercher à apporter d’innovation majeure. On peut noter que le premier étage est modulaire (formé de 5 modules identiques) tandis que le deuxième étage est formé d’un module identique à ceux du premier étage. Le concept Supaéro 1 : réalisé par des élèves de Suparéo en 2005, est un tri-étage à propulsion hybride partant du sol. Les hypothèses relativement pessimistes font que le lanceur pèse beaucoup trop lourd… Le concept Supaéro 2 : réalisé par des élèves de Suparéo en 2006, est un bi-étage aéroporté à propulsion hybride. Les hypothèses, nettement plus optimiste que pour le concept 1, font que le lanceur pèse environ 5 tonnes, ce qui constitue un résultat à la fois raisonnable et intéressant pour de futures études. Ainsi de ces 3 concepts des premières conclusions ont pu être émises. Premièrement lemanque de données sur le sujet rend très difficile la réalisation d’un avant-projet de nano-lanceur avec des hypothèses solides, les seuls nano-lanceurs existants datent de la premièreère spatiale et sont donc totalement obsolètes. Le but de PERSEUS étant d’amener desinnovations. Ensuite, un nano-lanceur tri-étage coûterait bien trop cher et des problèmes de fiabilitépourraient survenir. De fait, une solution pourrait être un nano-lanceur bi-étage avec largage aéroportéavec éventuellement des boosters d’appoint. -6-
  7. 7. Caractéristiques du lanceur Géométrie : La géométrie du lanceur doit être très simple car ils’agit de rester dans un cadre très général. Une forme linéaire sera la 12mieux adaptés mais toutefois difficile à réaliser à cause de la présencedes ergols des premier et deuxième étages. Ces ergols entraîneront donc 10la présence d’une jupe. 8 Tir sur rampe : Ce critère sera déterminé en fonction del’accélération initiale engendrée par les boosters. Toutefois le nano 6lanceur pesant moins de 5 tonnes est une solution fortementenvisageable. 4 Allumage du premier étage : On pourra prévoir d’allumer lepremier étage à la fin du vol boosté et non pas au sol comme c’est le cas 2sur Ariane 5. C’est la solution la plus optimale. 0 0 0, 5 1 1, 5 2 Boosters : Ils seront simplement emboîtés avec le lanceur. Deplus la séquence de boost ne sera pas pilotée, le lanceur devra donc êtrestable durant cette phase. -7-
  8. 8. Vitesse en fonction du temps : 9000 8000 7000 6000 5000 Vitesse (m/s) 4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 -1000 Tem ps (s) Trajectoire en fonction du temps : Trajectoire du lanceur 300 250 200Altitude en km 150 100 50 0 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 -50 Temps en s -8-
  9. 9. C. Présentation de notre projet Notre projet d’études fait partie intégrante du projet PERSEUS, tout en respectantnotre enseignement. Ainsi, notre projet consistera en la définition de la chaîne de transmissiondes différents éléments de télémétrie durant sa phase de lancement afin de pouvoir simulerson fonctionnement. Il faudra favoriser les systèmes permettant d’avoir une masse et uneconsommation réduites. Bien évidemment, cette étude sera soumise à différentes contraintesque nous devrons respecter. Il faudra déterminer ou proposer : - le type de modulation - un format de trame - le codage de canal envisagé en tenant compte d’un canal de propagation en ligne directe affecté d’un léger fading de Rice. - Le bilan de liaison - La puissance d’émission - Les caractéristiques de la station sol : gain d’antenne, facteur de bruit… D’autres éléments pourront rentrer en compte, ils seront déterminés au fur et à mesurede notre avancée dans le projet. Quelques pistes sont soumises par le projet et la bibliographie dont nous disposons,mais ce projet démarrant complètement à zéro, il n’est donc pas nécessairement obligatoire desuivre ces pistes. Ainsi, nous pouvons très bien amener nos propres solutions au problème sices dernières sont justifiées. Nous nous trouvons donc dans un réel cas d’ingénierie. De plus une réelle méthodologie devra être mise en place afin d’assurer un suivirégulier de notre avancement, ceci dans un souci de clarté et de rigueur.Caractéristiques La fréquence d’émission de la porteuse est de 2.2GHz. En effet, par convention lesfréquences utilisées pour la transmission des télémesures des lanceurs sont situées dans unebande allant de 2200MHz à 2290MHz. Le débit de transmission est fixé en début d’étude à 100kbit/s. De plus, nous avonségalement prévu d’étudier un système de transmission prévoyant en option des débits de500kbits/s et 1Mbits/s. En ce qui concerne l’antenne de transmission, son gain ne pourra être très important enraison des caractéristiques du lanceur, c’est pourquoi nous l’avons fixé à 3dB. Elle sera detype omnidirectionnel afin de pallier les éventuelles rotations du lanceur. -9-
  10. 10. Conduite de Projet Pour mener à bien notre projet nous avons dû mettre en place une certaineméthodologie afin de nous permettre une avancée linéaire tout au long du projet. Dans unpremier temps, il nous a fallu nous approprier le sujet. Pour cela, nous avons dû réaliser desrecherches bibliographiques pour savoir et comprendre ce qui se réalisait dans le cadre d’unetransmission à partir d’un lanceur. Ainsi, dans cette approche nous avons pu consulter lespremiers travaux d’élèves de SUPAERO et également la norme CCSDS sur laquelle nousreviendrons plus tard.Modulation Une fois ces études réalisées, nous nous sommes proposéd’étudier les différentes modulations du signal qui pourraient êtreretenues dans le cas du lanceur. Ces différentes modulations sont laGMSK, la M-PSK (4 ou 2) ainsi que l’OQPSK. Nous avons doncréalisé une étude comparative de ces différentes modulations avecleurs différentes caractéristiques et performances.Bilan de liaison Ensuite nous sommes passés au bilan de liaison. Celui-ci a été réalisé en prenantcompte de différentes hypothèses jouant sur des paramètres tels la modulation, la distancemaximale ou encore l’atténuation.Optimisation Une fois les étapes précédentes réalisées, nous nous sommes penchés sur les codescorrecteurs d’erreurs. En effet, le canal radio n’étant pas parfait et une modulation pouvantentraîner plus d’erreurs qu’une autre, ce critère-là n’est pas à négliger. Nous nous sommeslimités à l’étude de quelques CCE recommandés par le CCSDS, à savoir le code de ReedSalomon (255,223) et le code convolutionnel (7,1/2).Canal de propagation Ensuite, nous avons déterminé le canal de propagation. Nous avons donc retenu cescanaux de propagation : Canal gaussien et Canal de Rice. - 10 -
  11. 11. 2/ Description de l’environnement et des outils utilisés : A. Satellite Tool Kit : STK, développé par la société AGI, est outil de simulation spatiale. Utilisé pourl’armement et dans l’industrie spatiale, ce logiciel dispose de nombreux outils d’analyses(trajectoires, liaisons radios) le tout en 3D. Distribué par la société Agenium en France, nousavons pu utiliser brièvement ce logiciel, sous une licence temporaire. Nous avons pu ainsivisualiser la courbe de trajectographie en 3D. Nous disposions en effet d’un fichier Excelcontenant de nombreux paramètres de trajectographie : • TPS : temps (en seconde). • ALT : altitude du lanceur (en km). • VIT : vitesse du lanceur (en m/s). • PEN : pente (angle entre le vecteur vitesse et lhorizontale locale, en °). • ASS : angle entre laxe longitudinale lanceur et lhorizontale locale, en °). • AZI : azimut (en °). • LAT : latitude (en °). • LON : longitude (en °). • APOG : apogée (en km). • PERIG : périgée (en km). Il existe plusieurs manières de simuler une courbe en 3D sous STK. Nous avionschoisi la méthode « EphemerisLLATimePos », qui ne nécessite que les mesures de temps, delatitude, de longitude et d’altitude du lanceur. Ces valeurs sont rentrées dans le fichier« EphemerisLLATimePos_Perseus.e » suivant l’exemple ci-dessous :BEGIN EphemerisNumberOfEphemerisPoints 29ScenarioEpoch 1 Jun 2002 12:00:00.000000000InterpolationMethod LagrangeInterpolationOrder 1DistanceUnit KilometersCentralBody EarthCoordinateSystem FixedEphemerisLLATimePos 0.0000 5.239 -52.779 0.000000 0.1000 5.239 -52.779 0.000000 5.1199 5.239 -52.779 0.100000 12.5400 5.239 -52.779 0.800000 17.9099 5.239 -52.779 1.600000 25.7000 5.250 -52.779 3.299999 39.0099 5.289 -52.779 7.500000 55.4199 5.369 -52.779 14.600000 73.3700 5.530 -52.779 24.600000 80.5199 5.619 -52.779 29.299999 87.7099 5.730 -52.779 34.700000 90.0400 5.769 -52.779 36.500000END Ephemeris - 11 -
  12. 12. Une fois ce fichier créé, STK nous permet d’obtenir rapidement l’allure de latrajectoire du lanceur. De nombreux autres outils d’analyse de trajectoire sont aussidisponibles sur le logiciel STK, mais la création des fichiers « .e » (attitude du lanceur en l’airpar exemple) est assez longue et fastidieuse. Figure 2-A-1 : Trajectoire 3D du lanceur (départ Kourou). - 12 -
  13. 13. B. Matlab – Simulink : Le principal outil utilisé au cours de notre projet est Matlab 6.1 Release 12 ainsi queson module Simulink. 1 – Matlab : Matlab est un logiciel de calcul numérique édité par la société The MathWorks. Ilintègre de nombreuses fonctions de calcul mathématique et permet la création de ses propresfonctions de calcul. Nous avons utilisé MatLab pour effectuer différents calculs, ainsi quepour créer quelques petites fonctions de calcul de bilan de liaison, ou encore de tracé de tauxd’erreur binaire pour différentes modulations. 2 – Simulink : Simulink est un outil intégré à Matlab, qui permet de créer sous environnementgraphique de concevoir et de simuler des systèmes variant dans le temps. De nombreuseslibrairies contiennent les différents blocs du système (chaîne de transmission) ainsi que desblocs d’analyse (scope, analyse spectrale…). - 13 -
  14. 14. 3/ Chaîne de transmission A. Définitions Figure 3-A-1 : Chaîne de transmissionNous allons détailler les différents éléments que compose une chaîne de transmission : Code correcteur d’erreurs : Les CCE sont utilisés dans tous les types de transmission (satellite, téléphonie, disquelaser, TV haute définition). Ils permettent notamment d’améliorer le taux d’erreur d’uneliaison au travers d’un canal bruité.. Les codes auto-correcteurs d’erreurs proviennent de lathéorie de l’information initiée par C. Shannon dans les années 50. Lorsqu’on transmet uneinformation au travers d’un canal “bruité" l’information parvient au récepteur avec deserreurs. On se propose de détecter les erreurs et de les corriger de façon automatique (si lenombre d’erreurs n’est pas trop grand).Un CCE est un code qui permet, outre la détection, la correction automatique de certainesfautes détectées lors d’une transmission. Il existe plusieurs CCE chacun ayant ses avantages etses inconvénients. Les plus utilisés sont les codes convolutifs, BCH, Reed Salomon, TurboCodes et les codages en bloc. Modulation/Démodulation : Tout signal transportant une information doit passer par un moyen de transmissionentre lémetteur et le récepteur. Une fois élaboré, le signal est rarement adapté à latransmission directe par le moyen choisi. Il faut le modifier avant de commencer satransmission. La modulation peut être définie comme le processus par lequel le message esttransformé de sa forme originale en une forme adaptée à la transmission. Cest un processusqui peut être réalisé en utilisant une porteuse haute fréquence, dont les paramètres varientsuivant des fonctions linéaires du message à transmettre. Au niveau du récepteur, ceprocessus est inversé par des méthodes de démodulation. On peut montrer que la modulationest équivalente à une translation de spectre des signaux. Dans le cas des systèmes linéaires,comme la modulation damplitude, les composantes du spectre sont translatées sanspratiquement aucun changement dans la distribution de leurs énergies relatives, tandis quedans le cas des systèmes non-linéaires, comme la modulation de fréquence, un tel processusimplique la génération de nouvelles fréquences et dune distribution dénergie différente. Ilexiste différents types de modulation dont les plus utilisés sont les modulations en fréquence,en amplitude et en phase. - 14 -
  15. 15. Canal : Le canal radio est un modèle qui permet de caractériser l’interface entre l’émission et laréception. Un canal possède trois propriétés fondamentales : o Affaiblissement de parcours o Variabilité (shadowing) o Sélectivité en fréquenceIl existe différents types de canaux basés sur des modèles statistiques : canal AWGN, canalbinaire symétrique, canal de Rice,… B. Etat de l’art Pour la télémétrie, les bandes de fréquences utilisées sont dans la bande S, elles doiventêtre bien sûr autorisées par le Space Operation service. Les fréquences utilisées les plusfréquemment sont les suivantes : 2025 à 2120 MHz pour le lien uplink 2200 à 2300 MHz pour le lien downlink Les liens télémétriques sont fournis par une porteuse modulée en phase ou en fréquencepar une sous porteuse de quelques kHz. Les débits varient de quelques dizaines de bit/s àquelques kbit/s. Les données transmises correspondent à des résultats de mesure. Une horlogeinterne est nécessaire pour la synchronisation.Deux types de standards ont été élaborés : Standard PCM de l’ESA (European Space Agency PSS-45 & PSS-46) qui date des années 1970. Standard CCSDS (Consultative Committee for Space Data System). Standard PCM Le message est organisé en trames et en groupe de trames qui constitue le champ. Chaquetrame est constituée de mots et démarre avec un code de synchronisation. La première tramecontient un mot d’identification. Les trames sont identifiées par un compteur. Dans lestandard de l’ESA, le format est constitué de 16 trames et chaque trame contient 48 mots. Lesdonnées sont des mots de 8 bits. Si la donnée nécessite plus de 8 bits, on code la donnée surdeux mots différents et inversement pour une donnée qui a besoin de moins de 8 bits, onpourra mettre plusieurs données dans le même mot. - 15 -
  16. 16. Standard CCSDS Le CCSDS (Consultative Committee for Space Data System) est une organisationinternationale constituée de nombreuses agences spatiales internationales.Depuis les débutsdes années 1980, le CCSDS développent une série de recommandations pour lastandardisation des systèmes de transfert de données. (Fréquence, modulation, packettelemetry, codage canal, …). Plus de 300 missions spatiales ont adopté les recommandations fournies par le CCSDS,telles que celles de la NASA, du CNES ou de l’ESA. Le « packet telemetry » est un concept qui facilite la transmission des données d’unesource aux utilisateurs. Il est constitué d’une structure en couche où chaque coucheimplémente différentes fonctions pour permettre le multiplexage de différents types dedonnées sur le même canal physique. Figure 3-B-1 : Structure en couche : Packet Telemetry - 16 -
  17. 17. Deux principales structures de données sont définies dans le « packet telemetry » : Le paquet source : Le paquet source encapsule un bloc de donnée source. L’en-tête de ce paquet contient unidentifiant utilisé pour le routage du paquet à la destination cible, la longueur del’information, et la séquence où d’autres caractéristiques du paquet. Figure 3-B-2 : Trame du paquet source - 17 -
  18. 18. Trames de transfert Cette trame est de taille fixe et est constituée des paquets sources. Elle permet lafiabilité et le contrôle d’erreur à travers le moyen de transmission. L’en-tête de cette tramepermet le routage des paquets sources vers la destination. Figure 3-B-3 : Exemple de télémétrie - 18 -
  19. 19. Il existe des recommandations au niveau du CCSDS au niveau du codage du canal ainsiqu’au niveau du choix du code correcteur d’erreurs : Codage canal : Codage convolutionnel de longueur 7 et de débit ½ et un codage de Reed Salomon (255,239) ou (255,223). Figure 3-B-4 : Codage canal recommandé Turbo Codes Figure 3-B-5 : Codage canal recommandé - 19 -
  20. 20. On peut comparer les performances de ces différents codes afin de comprendrepourquoi le CCSDS recommande d’utiliser ce codage canal Figure 3-B-6 : Gain de codage norme CCSDS - 20 -
  21. 21. Modulation :Nous travaillons pour des débits de 100 Kbits/s à 1 Mbits/s : Figure 3-B-7 : Modulations recommandées NASA CCSDS B20.0-Y-2Dans le cas de notre étude, la modulation recommandée par le CCSDS est la QPSK. - 21 -
  22. 22. C. Bilan de liaison Nous avons réalisé notre bilan de liaison Station au sol - Lanceur en nous aidant desrecommandations de l’ITU-R. Nous utiliserons une antenne de réception d’un mètre de diamètre, de manière àpermettre une certaine mobilité. Le gain de l’antenne obtenue est donné par : 4Π S Gdb = 10 log( k × ) λ²Avec : - k : coefficient d’efficacité (0.7). - S : surface de la parabole. - λ : longueur d’onde.Nous obtenons un gain d’antenne en réception de 26dBiDonnées : Gain d’antenne en réception : 26dBi Gain d’antenne en émission : 3dBi Puissance d’émission 30dBm Fréquence de 2,2 GhzLes pertes en propagations dans le cas de notre liaison point à point sont la somme dedifférentes atténuations : Atténuation due aux gaz atmosphériques (réflexions, réfractions, scintillations) Atténuations dues à la pluie ou aux autres perturbations climatiques 1. Atmosphère Il existe différents modèles pour décrire l’atmosphère. Elle peut être considérée commeune série de couches concentriques délimitant plusieurs zones. Il y a deux grandes zones quivont nous intéresser dans le cas de notre étude : a) L’homosphère (60km à 90km) : L’homosphère possède trois couches principales différenciées par leur gradient detempérature en fonction de l’altitude : La troposphère La stratosphère La mésosphère - 22 -
  23. 23. b) L’hétérosphère : On définit deux couches principales : La thermosphère L’exosphère Au sein de la thermosphère se trouve une zone ionisée nommée Ionosphère. Dans cettecouche, il existe une quantité d’électrons suffisante pour influencer la trajectoire des ondesradioélectriques. Elle a été mise en évidence vers 1925 par quelques expérimentateursAppleton, Barnett, Breit, Tuve, Marconi… Elle s’étend sur quelques centaines de km audessus de la mésosphère et est divisée en trois régions distinctes. D, E, F Figure 3-C-1 : Modèle de l’atmosphère Couche D : altitude de 75 à 95 km, pression 2 Pa, température -76°C densité électronique 104 (il doit s’agir de 10 puissance 4 …il faut préciser l’unité également). Constituée dions poly atomiques. Absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle apparaît avec le lever du Soleil et disparaît immédiatement après le coucher de celui-ci. Couche E : altitude de 95 à 150 km, pression 0,01 Pa, température -50°C densité électronique 105 (il doit s’agir de 10 puissance 5 …il faut préciser l’unité également). Constituée doxygène et monoxyde dazote moléculaires ionisés et dions météoritiques. Diurne et présente tout au long du cycle solaire. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusquà une fréquence limite qui dépend de langle dincidence de londe sur la couche et de la densité de celle-ci. Au cours de lété, en moyennes latitudes, apparaissent parfois pendant quelques dizaines de minutes, voire quelques heures, des « nuages » fortement ionisés dans la couche E (on parle de sporadique E ou Es) - 23 -
  24. 24. Couche F : altitude de 150 à 800 Km, pression 1.10-4 Pa, température 1000°C densité électronique 106 (il doit s’agir de 10 puissance 6 …il faut préciser l’unité également). Constituée datomes doxygène, dazote et dhydrogène. Très dépendante de lactivité solaire, elle présente un niveau dionisation très important pendant les maxima du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire; la couche F se décompose pendant la journée en deux sous-couches F1(150 à 210km) et F2. Ces deux sous-couches se recombinent la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil mais il arrive quelles persistent toute la nuit lors des maxima dactivité solaire. Comme pour la couche E, le rôle de la couche F est essentiel pour la propagation des ondes courtes. Selon la recommandation de l’ITU-R 618.8 pour des fréquences de transmissionsinférieurs à 10GHz, on peut négliger les atténuations introduites par l’atmosphère. Les deuxprincipaux gazs qui apportent de l’atténuation sont le CO2 et le H2O. En effet, selon larecommandation de l’ITU-R 676-8 l’atténuation introduite par l’atmosphère à 2GHz est de0.07 dB/km. Figure 3-C-1 : Atténuation du aux gaz atmosphériques - 24 -
  25. 25. 2. Climat La deuxième source d’atténuation est le climat. Selon la recommandation de l’ITU-R838-3 l’atténuation introduite par les troubles climatiques est donnée par la formule ci-dessous en dB/km à : Où k et α sont des coefficients fonctions de la fréquence et R l’intensité de laprécipitation en mm/h. Dans le cas de notre calcul, il faut prendre le pire cas de précipitationsoit 150mm/h.Recommandation de l’ITU-R 837-4. Figure 3-C-2 : Coefficients k & α en fonction de la fréquence -3 On obtient après calcul une atténuation de l’ordre de 3.10 dB/km Pour une distance de 2000km cela nous donne une atténuation totale de l’ordre de7dB. Cette contrainte est à prendre en compte dans les conditions de lancement. En effet cetteatténuation serait très importante dans un bilan de liaison. Dans la suite de notre étude, nous négligerons l’atténuation introduite par la pluie. Ilfaudra donc envisager le lancement dans des conditions météorologiques optimales. - 25 -
  26. 26. 3. Effet Doppler Lorsque le récepteur et la source se déplacent lun par rapport à lautre, la longueur dondeà la réception diffère de la longueur donde à lémission. Leffet Doppler est le décalage entre la fréquence de londe émise et de londe reçuelorsque lémetteur et le récepteur sont en mouvement lun par rapport à lautre ; il apparaîtaussi lorsque londe se réfléchit sur un objet en mouvement par rapport à lémetteur ou aurécepteur.Avec : fdmax : fréquence de Doppler maximale en Hz fc : fréquence du signal en Hz v : vitesse du lanceur en m/s c : vitesse de la lumière 3 108 m/sOn en déduit donc l’évolution de la fréquence suivante en fonction du temps :Fmax=2200056872 Hz.Fmin=2199943128 Hz.Soit un élargissement total de 113744 Hz. Effet Doppler 2200060000 2200040000 2200020000 Effet doppler fréquence max 2200000000 Effet doppler fréquence min 2199980000 2199960000 2199940000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Te mps e n s Figure 3-C-3 : Effet Doppler Nous avons alors un rapport fd/fc de l’ordre de 5.10-5. La source de référence qui serautilisée pour la transmission aura des dérives du même ordre de grandeur. On peut doncconsidérer que les variations Doppler sont négligeables par rapport aux variations apportéespar les composants de la structure émission/réception. Dans la suite de notre étude, nousnégligerons donc l’effet Doppler. - 26 -
  27. 27. 4. Calculs On pourra donc considérer que la seule atténuation pour notre calcul du bilan deliaison est l’affaiblissement causé par l’espace libre.Calcul de l’affaiblissement en espace libre (Rec. ITU-R P.525-2) A0dB = 32,44 + 20log dkm + 20log fMhz Nous allons donc étudier la trajectographie de manière à trouver la distance maximaleentre la station au sol et le lanceur. Figure 3-C-4 : Visualisation Transmission - 27 -
  28. 28. Calcul de la distance maximale entre la station au sol et le lanceur (cas d’une seule station)Coordonnées de départ : (5°14’24“ N ; 52°46’48“W)Coordonnées d’arrivée : (19°1’48“ N ; 52°46’48“W)Distance point à pont à la surface de la terre : 1533 kmDistance maximale entre station et lanceur : 1806 km On prendra une distance de 2000 km pour la distance maximale entre la station et lelanceur afin de conserver une marge dans nos calculs.Calcul de l’affaiblissement On aura donc l’affaiblissement en espace libre égal à : A0dB = 32,44 + 20log2000 + 20log 2200On aura donc après l’application numérique : A0dB = 165dBCalcul du signal utile sur bruit o On calcule la puissance utile : C=Ge+Gr+Pe-A0dBGr : Gain d’antenne en réception : 26dBiGe : Gain d’antenne en émission : 3dBiPe : Puissance d’émission 30dBmA0dB : Atténuation en espace libre - 28 -
  29. 29. o On calcule la puissance de bruit Le bruit thermique est dû au mouvement des électrons dans les conducteurs. Lapuissance de bruit thermique évaluée au niveau de l’entrée du récepteur est donnée par laformule : No=FkTB (W) -23K : constante de Boltzmann : 1,3804 10 [J/K]T : température de l’environnement se situant autour du récepteur: 30°C soit 303°KB : bande passante en HzF : facteur de bruit : 3db - 29 -
  30. 30. 4 - Simulation de la Chaîne de transmission A. Choix du canal Dans le cadre de notre projet, nous avons choisi de réaliser une série de mesures enutilisant un canal gaussien et un canal de Rice : Canal gaussien Un canal gaussien est un canal qui rajoute un bruit blanc gaussien. Le canal gaussienna pour effet que dajouter au signal émis un bruit blanc indépendant du signal et distribuésuivant une loi normale. Pour un rapport signal à bruit donné, générer le signal reçu enajoutant au signal émis un bruit blanc gaussien. Canal de Rice Dans le cas LOS, le signal est composé d’une composante cohérente en ligne de vue etde composantes multi trajets Figure 4-A-1 : Canal de RiceDistribution de Rice :où σ2 est la variance de la partie réelle ou imaginaire des composants multi trajets et s estl’amplitude du signal LOS. I0 est la fonction de Bessel modifiée de première espèce etd’ordre 0. Si s est nul, on obtient la distribution de Rayleigh. Si s est important, on retrouve lecas du canal AWGN. - 30 -
  31. 31. On peut donc caractériser un canal de Rice par le facteur K tel que : puissance _ coherente s² K= = puissance _ aléatoire 2σ ² Nous avons considéré les trajets multiples comme négligeable. En effet, peu de causesde trajets multiples se présentent sur la chaîne de transmission : les réflexions sur les couchesatmosphériques étant très faibles, nous prenons un facteur K élevé est pris en compte, et doncun canal de Rice proche du canal à bruit blanc Gaussien. B. Choix des modulations 1. Critères de sélection : Lors de notre étude, nous avons dû réaliser des choix concernant les modulations. Pourcela nous nous sommes basés sur différents critères. Ainsi, la probable utilisationd’amplificateurs de classe C nous obligent à choisir des modulations dites à enveloppeconstante. En effet, un amplificateur de classe C introduit un effet de seuil ; il s’ensuit que laporteuse est supprimée pendant un intervalle de temps non négligeable si la modulation n’estpas à enveloppe constante. De plus, nous avons favorisé les modulations assez simple à mettreen œuvre et dont nous disposons facilement d’informations. Nous avons égalementsélectionné les différentes modulations en fonction de leurs performances. C’est pourquoi nous avons décidé d’étudier les modulations suivantes : QPSK/OQPSK, GMSK ainsi que la BPSK retenu comme référence d’étude. Figure 4-B-2 : Amplificateur linéaires & Amplificateur classe C - 31 -
  32. 32. 2. Pourquoi elles n’ont pas été retenues : Les modulations à amplitude n’ont pas été retenues bien que simples à réaliser. Deplus, si la valence M augmente, on peut obtenir des gains par rapport à une PSK par exemple,mais au prix de phénomènes de distorsion sur la constellation durant l’amplification. Quant aux modulations fréquentielles, nous ne les avons pas retenues, car nous avionspensé à d’éventuels problèmes lors d’une modulation cohérente dus aux effets Doppler(décalage de fréquences…). 3. Définition modulations • La BPSK : Appelées modulations M-PSK (Phase shift Keying : Modulation à déplacement dephase), ces modulations ne modifient que la phase de la porteuse. Le M représente le nombred’états différents que la phase du signal peut prendre. La BPSK (Binary Phase Shift Keying), est une modulation à deux états. La phase de laporteuse ne peut être déplacée que par deux états différents : 0 ou Pi comme le montre laconstellation suivante : Figure 4-B-3 : Constellation d’une modulation BPSK • La QPSK : La QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) est une modulation à quatre états de phasecomme le montre la figure suivante (en code de Gray) : Symbole Phase d’entrée 00 π/4 01 3π/4 10 5π/4 11 7π/4 Figure 4-B-4: Modulation QPSK A l’arrivée de chaque train binaire, la phase de la porteuse est donc décalée de lavaleur indiquée dans le tableau. - 32 -
  33. 33. Figure 4-B-5: Simulation d’une modulation QPSK La QPSK présente l’inconvénient des sauts de phase trop violents (passage de « 00 » à« 11 » par exemple).La modulation OQPSK (pour Offset-QPSK) permet de pallier cet inconvénient en évitant lespassages par 0. Nous nous intéresserons donc à cette méthode de modulation. Les passages par 0 sont empêchés par le principe de cette modulation : la voie enquadrature est décalée d’un temps T/2 (avec T le temps bit). Ainsi, si deux symboles en phaseet en quadrature sont identiques, un QPSK aurait effectué un saut de phase directe de 180°.Avec l’OQPSK, le saut de phase va suivre le cercle en faisant deux sauts de phases successifsde 90°. Il existe deux types de modulateurs OQPSK : OQPSK avec modulateur I/Q ou à l’aided’un unique modulateur de phase. Modulateur PM Modulateur I/Q Figure 4-B-6: Modulateur OQPSK - 33 -
  34. 34. A noter que les filtrages sont réalisés en bande de base, ce qui permet d’alléger lesfacteurs de coûts, de poids de matériel et de pertes de puissance. Un des avantages de cette modulation est le fait qu’elle soit très répandue. Ainsi c’estune modulation qui est très facile à mettre en œuvre. Malgré tout elle comporte un défautmajeur. En effet les passages par 0 lors des changements de phase peuvent entrainer quelquessoucis de fonctionnement, l’enveloppe n’étant pas constante (voir ci dessus). Afin de résoudrece problème, il est nécessaire d’utiliser une variante de cette modulation, à savoir l’OQPSK.Ainsi, l’OQPSK permet d’amener la continuité de phase. On pourra également ajouter qu’àdébit constant, l’OQPSK occupe une bande 2 fois moins large que la BPSK. • La GMSK : Nous avons décidé d’étudier une autre modulation à enveloppe constante permettantl’utilisation optimale d’amplificateurs de classe C. On utilise pour le téléphone GSM un type particulier de modulation à 4 états : lamodulation MSK (minimum shift keying). Un décalage en phase de + 90° représente un bit dedonnées égal à 1, tandis que - 90° représente un 0. Le décalage de fréquence crête à crête dunsignal MSK est égal à la moitié du débit binaire. Le vecteur passe d’un point à un autre avecune vitesse et un module constant : Figure 4-B-7: Principe de la modulation MSK Pour obtenir une variation de phase régulière à partir du signal numérique xn(t), onfabrique les signaux i(t) et q(t) de la manière suivante : - 34 -
  35. 35. Figure 4-B-8: Structure du modulateur MSK On améliore la modulation MSK en filtrant le signal numérique avant l’intégrateur àl’aide d’un filtre à réponse impulsionnelle gaussienne : on parle alors de GMSK (Gaussianminimum shift keying) Les points anguleux de la courbe de phase disparaissent alors, et lespectre est particulièrement intéressant puisqu’on constate la quasi disparition des lobessecondaires. Figure 4-B-9: Structure d’un modulateur GMSK Le spectre d’un signal modulé GMSK avec un débit de 270833 bits/s utilisé pour leGSM est le suivant : Figure 4-B-10: Spectre d’un signal GMSK - 35 -
  36. 36. La modulation GMSK permet de produire des signaux de porteuse à enveloppeconstante, doù labsence de variations damplitude dans le signal modulé. Sans variationdamplitude pour exciter les erreurs de linéarité de lamplificateur de lémetteur, la distorsionnon linéaire na pas dimportance majeure. L’amplificateur tend à offrir un compromis entrelinéarité et efficacité, et on peut choisir un amplificateur plus efficace (en classe C) sans quesa linéarité constitue un souci majeur. Il existe deux principaux types de modulateurs pour la GMSK, l’un à l’aide d’unVCO, l’autre utilisant une méthode de mise en quadrature en bande de base. Figure 4-B-11: Modulateur avec VCO à quadrature Figure 4-B-12: Modulateur avec VCO à quadrature Le principal avantage de cette modulation réside dans le fait que c’est une modulationà enveloppe constante et à phase continue. Ainsi elle pourra être utilisée avec lesamplificateurs de classe C. L’inconvénient de cette modulation est du au filtrage enmodulation. En effet cela conduit à l’apparition d’interférences entre les symboles (IES). Deplus en pratique, on réalise une démodulation cohérente, cette méthode permettant un tauxd’erreur plus faible. - 36 -
  37. 37. C. SimulationUne seule station sans CCENous avons choisi d’étudier trois différentes modulations : • QPSK – OQPSK • GMSK 0.5 • BPSKOn réalisera l’étude de ces modulations avec 3 débits : • 100 kbps • 500 kbps • 1 MbpsLargeurs de bande considérées pour notre étude : BP en khz débit de BP en khz débit BP en khz débit 100 kbps de 500 kbps de 1 MbpsQPSK 50 250 500GMSK 0,5 50 250 500BPSK 100 500 1000 A l’aide de Matlab (cf.annexe bilan.m)On obtient les performances suivantes dans les conditions initiales vues ci dessus : QPSK & OQPSK: Débit en C/N en dB en kbps réception 100 16,702 500 9,715 1000 6,702 GMSK 0.5 : Débit en C/N en dB en kbps réception 100 16.7012 500 9.715 1000 6.702 BPSK : Débit en C/N en dB en kbps réception 100 13.6909 500 6.7012 1000 3.6909 - 37 -
  38. 38. -3 -5 Nous avons retenu deux taux de BER pour notre étude, 10 et 10 , figurant parmi lestaux d’erreur les plus souvent cités dans les documents de référence CCSDS. Modulation 4-PSK (QPSK) : Figure 4-C-1: Probabilité d’erreur par symbole de la M-PSK Ces courbes donnent les probabilités d’erreurs bit pour différents niveaux de Eb/No.Elles sont obtenues à partir de l’expression de la probabilité d’erreur. -5On a pour un BER de 10 on a un Eb/No=10.5 dB.Pour un BER de 10-3, on obtient un rapport Eb/No= 7.5 dB. CNous devons alors calculer le rapport correspondant à ces différents Eb/No. N C Eb Rb = × N No WOù Rb est le débit en Kbits/s et W est la bande passante en kHz. Nous considérons ici notre canal comme à bande infinie et prenons en compte que larapidité de modulation. Elle est de 2 pour la QPSK (modulation à code quaternaire). - 38 -
  39. 39. C -5 On obtient ainsi un limite de 13.5 dB pour un BER de 10 et 10.5 dB à un BER de N -310 . CVoici les valeurs calculées de en réception sur notre chaîne : NCalcul des C/N en réception : Débit en kbps C/N en dB en réception 100 16.7 500 9.7 1000 6.7Observations : Pour un débit brut de 100 kbit/s, nous sommes donc 3.2 dB au-dessus de la limite de -5 C -3 13.5 dB pour un BER à 10 et 6.2 dB au-dessus de la limite pour un BER à 10 . N Ces marges sont assez « limites ». Des marges de l’ordre de 10dB seraient préférables. C C Pour les débits de 500 et 1000 kbit/s, le en réception est inférieur au requis. N N Une solution est à envisager. - 39 -
  40. 40. Modulation GMSK 0.5: Figure 4-C-2: Performance GMSK 0.5 (CCSDS B20.0-Y-2). Nous pouvons ainsi obtenir les différents niveaux de Eb/No nécessaires pour nos deuxBER. -5 -3Un BER de 10 nécessite un Eb/No de 10.6 dB. Un BER de 10 nécessite un Eb/No de 7.9dB. C Eb RbNous évaluons ainsi les niveaux de C/N requis : = × . N No WNous utilisons une GMSK 0.5 ( B * Tb = 0.5 ), le rapport Rb/W vaut ainsi 3dB. -5 -Nous obtenons ainsi un C/N de 13.6 dB pour un BER à 10 et de 10.9 dB pour un BER à 103 .Calcul des C/N en réception : Débit en kbps C/N en dB en réception 100 16.7 500 9.7 1000 6.7Observations :Ces valeurs sont identiques à la QPSK. Ceci était prévisible, car notre GMSK utilise uncoefficient B*T de 0.5 (comme la QPSK). Tout comme la QPSK, la marge à 100 kbit/s est assez « juste ». Les niveaux de C/N pour 500 kbit/s et 1000 kbit/s sont très en-dessous des niveaux nécessaires aux taux d’erreurs visés. - 40 -
  41. 41. Modulation 2-PSK (BPSK): Figure 4-C-3: Courbe de performance BER BPSK Cette modulation est en général utilisée comme « référence » avec d’autresmodulations. C’est pourquoi nous l’avons testé. -3 -5 Modulation Type Eb/No for 10 BER Eb/No for 10 BER Unfiltered BPSK (for reference only) 6.8 dB 9.6 dB -5 -3 Nous relevons donc les Eb/No nécessaires aux BER 10 et 10 . Les C/N correspondants sont égaux aux Eb/No (en effet, rapport B*T égal à 1, soit0dB).En conclusion, la BPSK nécessite des niveaux de C/N supérieurs à 9.6 dB pour un BER -5 -3de 10 , et supérieur à 6.8 dB pour un BER à 10 . - 41 -
  42. 42. Calcul des C/N en réception : Débit en kbps C/N en dB en réception 100 13.7 500 6.7 1000 3.7Observations : -5 A 100 kbit/s, nous avons une marge de C/N de plus de 4 dB à un BER de 10 et de -3 prés de 7 dB à un BER de 10 . Les C/N à 500 et 1000 kbit/s sont quant à eux toujours insuffisants pour les BER visés.Tableau récapitulatif :Niveau de C/N minimum pour les BER visés : BER = 10-3 BER = 10-5 BPSK 6.8 9.6 QPSK 10.5 13.5 OQPSK 10.5 13.5 GMSK 0.5 10.9 13.6 - 42 -
  43. 43. D. Optimisation 1. Ajout de CCE : Pour nos trois modulations étudiées, seul un débit de 100 Kbits/s passe. Il faut doncoptimiser notre chaîne de transmission par le rajout de Code Correcteur d’Erreurs. Nousavons étudié trois solutions de codage, celles recommandées par la norme CCSDS. CCE Reed Salomon (255,223) : rate de 87.4 % Convolutionnel (7, 1/2) : rate de 50 % Convolutionnel & Reed Salomon (255, 223) : rate de 43,7 %Gain de codage (recommandations CCSDS annexe) : -3 -5 BER = 10 BER = 10Reed Salomon (255,223) 1.4 3.2Convolutionnel (7,1/2) 4.2 5.4Reed Salomon + Convolutionnel 4.9 7.3Pour atteindre les débits visés il nous faut prendre en compte les taux de codage.Le tableau ci-dessous obtenu à partir des différents taux de codage des CCE nous permetd’obtenir les débits bruts à prévoir en fonction des débits de télémétrie visés. 100 Kbits/s 500 Kbits/s 1000 Kbits/s RS (255,223) 120 580 1150 Conv (7,1/2) 200 1000 2000 RS+conv 240 1160 2330 -5 BER de 10QPSK Code Gain de codage Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB correcteur -5 pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000 RS (255,223) 3.2 18.1 12.2 9.2 13.1 7.2 4.2 Conv (7,1/2) 5.4 19.1 12.1 9.1 14.1 7.1 4.1 RS+conv 7.3 20.2 13.3 10.3 15.2 8.3 5.3 - 43 -
  44. 44. On doit avoir un C/N supérieur seuil de 13.5dB : Pour assurer un débit de 100 Kbits/s il faut ajouter un code convolutionnel au minimum. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevésGMSK 0.5 : Code Gain de codage Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB déduite correcteur -5 pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000RS(255,223) 3.2 18.1 12.2 9.2 13.1 7.2 4.2Conv(7,1/2) 5.4 19.1 12.1 9.1 14.1 7.1 4.1 RS+conv 7.3 20.2 13.3 10.3 15.2 8.3 5.3On doit avoir un C/N supérieur seuil de 13.6dB : Pour assurer un débit de 100 Kbits/s il faut ajouter un code convolutionnel au minimum. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevésBPSK : Code Gain de codage Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB déduite correcteur -5 pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000RS(255,223) 3.2 16.1 9.2 6.2 11.1 4.2 1.2Conv(7,1/2) 5.4 16.1 9.1 6.1 11.1 4.2 1.1 RS+conv 7.3 17.1 10.3 7.3 12.1 5.3 2.3On doit avoir un C/N supérieur seuil de 9.6dB : On en conclut que pour des débits de 500kbitps et de 1Mbits cela ne fonctionnera pas. Cependant les trois codages proposés permettent d’obtenir un le débit de 100 Kbits/s de télémétrie. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre portée de transmission et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés. - 44 -
  45. 45. BER de 10-3QPSK Code Gain de codage Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB correcteur -5 pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000 RS (255,223) 3.2 16.3 10.4 7.4 11.3 5.4 2.4 Conv (7,1/2) 5.4 17.9 10.9 7.9 12.9 5.9 2.9 RS+conv 7.3 17.8 10.9 7.9 12.8 8.9 2.9On doit avoir un C/N supérieur seuil de 10.5dB : Les trois codages permettent d’assurer un débit de 100 Kbits/s de télémétrie. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés.GMSK 0.5 : Code Gain de codage Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB correcteur -5 pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000 RS (255,223) 3.2 16.3 10.4 7.4 11.3 5.4 2.4 Conv (7,1/2) 5.4 17.9 10.9 7.9 12.9 5.9 2.9 RS+conv 7.3 17.8 10.9 7.9 12.8 8.9 2.9On doit avoir un C/N supérieur seuil de 10.9 dB : Les trois codages permettent d’assurer un débit de 100 Kbits/s de télémétrie. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés. - 45 -
  46. 46. BPSK : Code Gain de codage Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB déduite correcteur -5 pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000RS(255,223) 3.2 14.3 7.4 4.8 9.3 2.4 -0.2Conv(7,1/2) 5.4 14.9 7.9 4.9 9.9 2.9 -0.1 RS+conv 7.3 14.7 7.9 4.9 9.7 2.9 -0.1On doit avoir un C/N supérieur seuil de 6.8dB : Les trois codages permettent d’assurer un débit de 100 Kbits/s de télémétrie. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés. - 46 -
  47. 47. 2. Ajout d’une station On place une nouvelle station de réception dur la côte Est de la Martinique dans laville du Vauclin. Les coordonnées sont les suivantes : (14°3214.00"N, 60°4935.00"W) Figure 4-D-1: Nouvelle station en Martinique L’ajout d’une nouvelle station permet de réduire la distance et donc l’atténuationcausée en espace libre. Nous allons donc étudier une solution permettant d’assurer un débit de -5500 Kbits/s pour un BER de 10 . - 47 -
  48. 48. 250 km 1021 km Arrivée 1533 km Départ 990 km 1353 km MartiniqueQPSK -5 La distance à partir de laquelle la valeur seuil pour un BER de 10 de 13.5 dB n’estplus respectée est de 914 km. Cela représente une latitude de 13.4°, on aura donc le lanceur àune altitude 211 km. Marge>13.5 dB 250 km Arrivée 1533 km Départ Martinique A partir des données contenues dans la trajectographie mise à notre disposition unesérie de calculs :Altitude du lanceur au point de Hand Over : 211 kmDistance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 877.4 kmDistance station2-lanceur au point de Hand Over : 902 km - 48 -
  49. 49. Or la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km. Onprendra donc cette valeur comme référence au niveau de notre bilan de liaison.Conclusion : Valeur de C/N inférieur au C/N seuil de 13.5dB Ajout un code correcteur d’erreur : Code -5 Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB Gain de codage pour un BER 10 correcteurRS(255,.223) 3.2 18.1 13.1Conv(7,1/2) 5.4 17.9 12.9 RS+conv 7.3 19.2 14.2 On en conclut que l’ajout d’un code convolutionnel (7,1/2) associé à un code de Reed Salomon (255 ,223) permet d’obtenir une valeur C/N supérieur à la valeur limite de 13.5 dB et donc d’assurer les 500 Kbits/s de télémétrie. - 49 -
  50. 50. GMSK 0.5 Débit en kbps C/N en réception 100 16.7012 500 9.715 1000 6.702 Comme nous l’avons vu précédemment pour assurer un BER de 10-5 il faut un c/n de13.6 dB. La distance à partir de laquelle la valeur seuil de 13,6dB n’est plus respectée est de903.7 km A partir des données contenues dans la trajectographie mise à notre disposition unesérie de calculs :Altitude du lanceur au point de Hand Over : 211 kmDistance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 879 kmDistance station2-lanceur au point de Hand Over : 904 kmOr la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km.Conclusion : Valeur de C/N inférieur au C/N seuil de 13.6dB Ajout un code correcteur d’erreur : Code Gain de codage pour un BER Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB correcteur 10-5RS(255,.223) 3.2 18.1 13.1Conv(7,1/2) 5.4 17.9 12.9 RS+conv 7.3 19.2 14.2 On en conclut que l’ajout d’un code convolutionnel (7,1/2) associé à un code de Reed Salomon (255 ,223) permet d’obtenir une valeur C/N supérieur à la valeur limite de 13.6 dB et donc d’assurer les 500 Kbits/s de télémétrie. - 50 -
  51. 51. BPSK Comme nous l’avons vu précédemment pour assurer un BER de 10-5 il faut un c/n de9.6 dB. La distance à partir de laquelle la valeur seuil de 9.6dB n’est plus respectée est de1013km. A partir des données contenues dans la trajectographie mise à notre disposition unesérie de calculs :Altitude du lanceur au point de Hand Over : 222.5kmDistance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 867kmDistance station2-lanceur au point de Hand Over : 895.2kmOr la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km.On prendra donc cette valeur comme référence au niveau de notre bilan de liaison.Conclusion : Valeur de C/N inférieur au C/N seuil de 9.6dB Ajout un code correcteur d’erreur : Code Gain de codage pour un BER Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB correcteur 10-5RS(255,.223) 3.2 15.1 10.1Conv(7,1/2) 5.4 14.9 9.9 RS+conv 7.3 16.2 11.2 On en conclut que l’ajout d’un code convolutionnel (7,1/2) associé à un code de Reed Salomon (255 ,223) permet d’obtenir une valeur C/N supérieur à la valeur limite de 9.6 dB. Cependant, on remarque que pour les deux codes utilisés seul la marge est très faible. - 51 -
  52. 52. 3. Conclusion puissance :Dans nos conditions de simulation, à savoir : - Puissance d’émission : 30dBm - Gain émission : 3dB - Antenne réception de 1m de diamètre, gain de réception : 26dBi. - Marge d’ingénierie : 5dB.Nous avons pu dégager certaines conclusions : Avec une seule station de réception basée à Kourou, nous pouvons assurer seulement un débit de 100 Kbits/s de télémétrie : o BER de 10 -5 : OQPSK & GMSK 0.5: nécessite un code correcteur convolutionnel (7,1/2) ou un code concaténé convolutionnel (7 ,1/2) + Reed Salomon (255,223). BPSK : nécessite l’un des codes correcteurs proposés. o BER de 10 -3 : Les trois modulations fonctionnent quel que soit le CCE utilisé. Avec deux stations de réception, l’une basée en Martinique et une basée à Kourou, nous pouvons assurer seulement un débit allant jusqu’à 500 Kbits/s de télémétrie : o BER de 10 -5 : Le débit de 500 kbits/s est assuré avec l’utilisation d’un code concaténé convolutionnel (7 ,1/2) + Reed Salmon (255,223) pour les trois modulations. - 52 -
  53. 53. 4. Conclusion faisabilité : Plusieurs choix seraient alors possibles. Le choix d’assurer un débit utile de100Kbits/s avec une seule station ou d’installer une deuxième station en Martinique, parexemple, afin d’atteindre des débits de 500Kbits/s. Une réflexion s’impose alors sur ces possibilités. Il serait d’abord nécessaire de fixerle débit utile nécessaire. Ensuite, en fonction du BER visé, une sélection des modulations s’impose en fonctionde leur complexité à être implémentées. Il est à noter que pour un BER de 10-5, le codeconcaténé est nécessaire pour assurer le débit en présence d’une seule station. Sa complexitéen terme de temps de calcul risque d’être déterminante dans le choix de cette solution. Unealternative semblerait être préférable (utilisation du code convolutionnel car plus simple àréaliser). L’implémentation d’une deuxième station permettrait de n’utiliser qu’un seul codecorrecteur (les trois codes différents présentant des performances sensiblement identiquesdans ces conditions). Enfin, les modulations seront elles aussi un facteur important lors de l’étude de lacomplexité de leur implémentation. 5. Ouverture sur d’autres sujets : Un premier point à étudier, serait de déterminer un modèle de trames et le débit nécessaire à leur transmission. Une fois cela déterminé, les premières simulations ou bancs de tests pourraient alors être réalisés compte tenu des conclusions tirées dans ce présent rapport. Il serait intéressant de déterminer avec précision l’impact du BER sur la télémétrie, à savoir l’impact de la perte d’un ou plusieurs bits sur la qualité des mesures reçues. Il faudrait alors prendre en compte la dynamique de codage des données ainsi que leur répartition dans les trames. Une idée a été que la pseudo continuité des données mesurées (température, pression, temps) permettrait des taux d’erreurs peut-être importants. En effet, par interpolation, les valeurs perdues pourraient ainsi être retrouvées. Les performances des codes correcteurs d’erreurs sont un facteur important. Les CCE utilisés dans notre étude ne sont que quelques-uns des codes proposés par le CCSDS. Les codes convolutionnels ont la qualité d’être simples à réaliser mais pèchent par leur ratio de codage. Les turbos codes sont peut-être une voie à étudier. Des études sur les antennes pourraient peut-être apporter des précisions sur le bilan de liaison lors de la phase de lancement (attitude du lanceur, etc…). - 53 -
  54. 54. 5. Conclusion Participer à un projet de l’ampleur de Perseus aura été une expérience trèsenrichissante pour nous. En effet, tenter d’apporter une innovation et des connaissances à unprojet qui verra peut-être le jour dans quelques temps, nous aura tenu à cœur et aura susciténotre intérêt tout au long de l’étude. Nous avons pu, par l’étude de la chaîne de transmission, apporter des conclusions surcertains aspects de la télémétrie du lanceur Perseus. Bien que de nombreuses solutionsdifférentes puissent être envisagées, nous espérons que nos travaux permettront de servir debase de connaissances pour de futures études du projet Perseus. Enfin, ce projet nous aura permis de côtoyer des professionnels du monde destélécommunications et de l’aérospatiale portant elles aussi un vif intérêt à ce projet. - 54 -
  55. 55. 6. GlossaireBER: Bit-Error-RateCCSDS: Consultative Committee for Space Data SystemsESA: European Space AgencyGMSK: Gaussian Minimum Shift KeyingOQPSK: Offset QPSKPSK: Phase Shift KeyingQPSK: Quadrature Phase Shift KeyingAWGN: Additive White Gaussian NoiseBPSK: Binary Phase Shift KeyingC: Puissance utile de la porteuseN: Bruit thermiqueEb: Energie bitCCE: Code correcteur d’erreurs - 55 -
  56. 56. 7. BibliographieCCSDS: • 100.0-G-1 Telemetry Summary of Concept and Rationale. • 130.1-G-1 TM Synchronization and Channel Coding--Summary of Concept and Rationale • 413.0-G-1 Bandwidth-Efficient Modulations: Summary of Definition, Implementation, and Performance. • 412.0-G-1 Radio Frequency and Modulation Systems—Spacecraft-Earth Station Compatibility Test Procedures • 131.1-O-1 Low Density Parity Check Codes for Use in Near-Earth and Deep Space Applications • B20.0-Y-2 Proceedings of the CCSDS RF and Modulation Subpanel 1E on Bandwidth-Efficient ModulationsITU-R: • 838-3: Specification attenuation model for rain for use in prediction methods • 676-6: Approximate estimation of gaseos attenuation in the frequency range 1-350 Ghz • 837-4: Characteristics of precipitation for propagation modelling • 676-6: Attenuation by atmospheric gases • 618-8: Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems • 525-2: Calculation of free space attenuationOuvrages: • Communications numériques / Alain Glavieux & Michel Joindot. Editions Masson. 1996 • La propagation des ondes radioélectriques. / Sizun Herv. Edition Springer. 2003 • Satellite communications systems Third Edition / Maral & Bousquet. 1998 - 56 -
  57. 57. 8. AnnexesTaux de précipitation pour le continent Américain - 57 -
  58. 58. Aperçu des performances de certains codes correcteurs - 58 -
  59. 59. Code de la fonction « bilan.m »%------------------------------------------------------% Calcul du rapport C/N en réception% En fonction de d(km), D(kbits/s) et m(modulation)%------------------------------------------------------% Modulations à utiliser %%%%%%% Exemples de performances de modulation :% 1-QPSK - OQPSK : B=D/2% 2-GMSK 0.5 : B=D*0.5% 3-BPSK : B=Dfunction [j]=bilan(d,D,m)x=1:d;%Calcul des bandes passantes des modulationsif m==1 B=D/2;elseif m==2 B=D*0.5;else m==3 B=D;end%bilan de liaison (Gr=26dB, Pe=30dBm, Ge=3dB, F=2 GHz)C=30+3+26-32.44-20*log10(2200)-20*log10(x);%bruit thermique (facteur de bruit 3dB, T°=30°C, B = bande passante en Khz)No=-173+3+10*log10(B*1000);%C/No en réceptiony=C-No;plot(x,y)min(y)grid on;zoom on; - 59 -

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