SCIPION
Système Compact d'Investigation de Propagation IONosphérique

Scipon^MD: un sondeur ionosphèrique performant

Caractéristiques générales

SCIPION est le nouveau sondeur ionosphérique qui a été développé par France Telecom-CNET. En accord avec France Télécom, son exploitation et son développement sont désormais assurés par l'ENST Bretagne. SCIPION exploite largement les techniques de synthèse et de traitement numérique du signal afin de réduire sensiblement la puissance d’émission, tout en préservant des performances élevées. Le système est paramétrable et programmable de façon à autoriser une mise en œuvre totalement automatique. Bien que de conception bistatique, le sondeur fonctionne aussi en mode monostatique. SCIPION mesure les paramètres de la propagation ainsi que des séquences de réponses impulsionnelles du canal de transmission. Ces mesures peuvent être effectuées en diversité de fréquence et d'espace à la réception.

Le sondeur numérique SCIPION est exploité sous différentes versions depuis de nombreuses années. Un grand nombre de liaisons ont été expérimentées. La dernière version du système, fonctionnant à faible puissance d'émission existe actuellement sous forme industrialisée. Quatre de ces exemplaires ont été choisis par les Armées pour la rénovation de leurs stations de sondages d'Outre-mer. Quatre autres systèmes sont réservés aux stations françaises et aux études ionosphériques du CNET. L'ESMT (Ecole Supérieure Multinationale des Télécommunications) de Dakar a également fait l'acquisition d'un sondeur SCIPION. D'autres systèmes peuvent être construits sur demande.

Principales fonctionnalités

Le sondeur ionosphérique SCIPION présenté dans ce papier peut fonctionner en modes vertical ou oblique. Il utilise des formes d'onde codées de type M-PSK associées à la réception à des techniques spécifiques de traitement numérique du signal. Il permet ainsi d'effectuer une caractérisation fine du canal HF pour de faibles puissances d'émission. Ce système est la version la plus récente d'une génération de sondeurs dont les premiers ont été exploités sur diverses liaisons depuis le début des années 1980.

Suivant ces versions optionnelles, le sondeur SCIPION effectue les mesures suivantes :

sondage vertical

sondage oblique avec synchronisation en temps et en fréquence

fonctions de diffusion du canal

diversité de polarisation avec filtrage

diversité d'espace : jusqu'à 8 aériens pour un seul récepteur

angles d'arrivée

occupation spectrale du canal HF

séquences de réponses impulsionnelles

Les séquences de réponses impulsionnelles mesurées et enregistrées par SCIPION peuvent être rejouées par la suite à des fins de simulation, à l'aide d'un reproducteur de canal fonctionnant en temps réel.

Modes de fonctionnement et affichage des résultats

Les modes de fonctionnement principaux sont les suivants :

fréquence fixe

balayage de fréquence

exploration d'un plan de fréquence selon une chronologie préétablie

mode monostatique

mode bistatique

Tous ces modes de fonctionnement sont pilotés par ordinateur et peuvent être exécutés d'après un plan prédéfini par l'opérateur.

Au moyen de l'interface graphique, et suivant la version de SCIPION concernée, les types d'affichage suivants sont disponibles :

ionogrammes avec amplitude ( hauteurs virtuelles en fonction des fréquences sondées, avec un codage couleur de l'amplitude des échos )

ionogrammes avec décalage de fréquence Doppler ( hauteurs virtuelles en fonction des fréquences sondées, avec un codage couleur du décalage de fréquence Doppler des échos )

fonction de diffusion pour chacune des fréquences sondées ( hauteurs virtuelles en fonction des décalages de fréquence Doppler, avec un codage couleur de l'amplitude des échos )

encombrement spectral des canaux sondés

extrapolation des résultats à des liaisons obliques de courtes distances ( loi de la sécante )

comparaison des mesures aux prévisions de zones

angles d'arrivées et leurs évolutions temporelles

fonctions de cohérence en diversité d'espace

Ionogrammes verticaux

La figure 2 présente un ionogramme obtenu sous incidence verticale à Dakar le 18 janvier 1997, à 23h02 TU, au cours d'une expérimentation effectuée en collaboration avec l'Université de Dakar. La gamme de fréquence sondée est 1.6 - 15.9 MHz et la durée de sondage est de 100 s. L'amplitude relative des échos reçus est repérée par une échelle de couleurs graduée en dB. On constate la présence d'un écho de type 1Es vers 102 km et de son double 2Es. Plus haut en altitude, au-dessus de 220 km, apparaît la couche F qui présente une forte diffusion, de même que l'écho double. Ce phénomène est connu pour être très fréquent en zones équatoriales. On note sur cette figure que la fréquence critique du mode extraordinaire de la couche F est 8.4 MHz et on peut remarquer la présence de diffusion en temps, mais aussi en fréquence.

Une des fonctions de diffusion mesurées est également présentée pour la fréquence 4.7 MHz et une plage Doppler analysée de ± 2.8 Hz. Elle présente une forme incurvée caractéristique indiquant un mouvement quasi - uniforme de plasma structuré par des inhomogénéités.

Enfin, le niveau moyen des bruits et des brouilleurs présents sur chaque canal sondé est affiché au bas de l'ionogramme. De même, le spectre de ces bruits et brouilleurs est visible au bas de chaque fonction de diffusion. Dans le cas présent, il est mesuré dans une bande de ± 4.5 kHz, avec une résolution de 600 Hz.

Extrapolation vertical - oblique et prévisions de zone

On constate sur cet ionogramme l'existence d'une couche Es. Tous les ionogrammes horaires de la même journée sont transposés en oblique pour une liaison fictive de 600 km en utilisant la loi de la sécante. Au bas de la figure sont représentées les projections de ces ionogrammes sur les diagrammes des prévisions de la zone Europe éditées par le CNET pour la période considérée. On remarque la bonne concordance entre prévisions et mesures jusqu'à environ 18h, heure à laquelle apparaît la couche Es, non prévisible. Ceci montre l'intérêt du système pour, par exemple, gérer des transmissions s'effectuant dans son voisinage.

Sondages obliques bistatiques

On peut voir les évolutions des temps de groupe des différents trajets propagés. Ces trajets peuvent être identifiés à l'aide des ionogrammes obliques ( non présentés ici ) effectués à l'aide du sondeur, avant et après la mesure à fréquence fixe. Ce sont les bonds simples, doubles et triples des modes ordinaires et extraordinaires par la couche F. On remarque de nouveau la présence de F-diffus durant les 25 premières minutes de l'expérimentation, ce phénomène disparaissant ensuite. Deux exemples de fonctions de diffusion correspondant à la même expérimentation sont présentés au bas de la figure. Ils montrent la structure fine du F-diffus et son évolution au cours du temps, notamment pour ce qui concerne la notion de trajets dominants. Les décalages de fréquence Doppler sont ici relativement faibles ( -0.4 Hz à + 0.8 Hz ) mais peuvent souvent sur de telles liaisons, prendre des valeurs bien plus importantes.

Angles d'arrivée

La figure 5 présente un résultat de mesure d'angle d'arrivée obtenu en sondage zénithal. Dans ce cas, les 8 aériens sont disposés par paires orthogonales aux quatre coins d'un carré dont le côté est choisi en fonction de la gamme de fréquence utilisée et de la plage de mesure d'angles que l'on souhaite exempte d'ambiguïté. On peut voir sur la fonction de diffusion que les deux modes " O" et " X " correspondant à la couche F sont présents et séparés en temps de groupe. La carte du ciel présentée au bas de la figure montre que la réfraction de ces deux modes s'est effectuée sous une incidence légèrement oblique et que de plus, ces incidences diffèrent. On peut en conclure la présence d'un gradient local de faible importance, la différence des chemins suivis par les modes " O " et " X " expliquant par ailleurs les angles d'incidence propres à chacun de ces modes.

Fiche Technique

Les ensembles d'émission et de réception

L'émetteur et le récepteur peuvent soit constituer un même ensemble (option monostatique), soit être des sous-ensembles séparés (option bistatique). La génération de fréquence des pilotes de l'émetteur et du récepteur se fait par synthèse numérique. Le signal HF émis est alors généré par modulation et conversion de fréquence, tandis qu'à la réception les opérations duales sont effectuées. Le récepteur comporte deux têtes HF, commandables en phase et en gain. En règle générale, ces deux têtes sont associées à des aériens de polarisations croisées de façon à permettre une séparation des modes de propagation " O " et " X ".

Suivant la version du système, un boîtier de commutation à commande rapide permet d'effectuer la réception sur un groupe d'antennes dont la taille peut aller jusqu'à 8. Dans ce cas, le récepteur scrute de façon séquentielle et cyclique les différents aériens. Cette opération ne nécessite donc l'usage que d'un seul récepteur, ce qui réduit sensiblement les problèmes de calibration et le coût du système. La durée minimum d'analyse par antenne est d'environ 10 ms.

L'amplificateur de puissance

L'amplificateur de puissance, d'une puissance maximum de 25 W, constitue un sous ensemble indépendant, pour autoriser une installation déportée si cela s'avère nécessaire ( au pied de l'antenne par exemple ).

Les systèmes de gestion et de traitement

Le contrôle du fonctionnement du sondeur, de l'affichage des résultats et de leur enregistrement s'effectue à partir d'un micro-ordinateur de type PC. Des cartes au format PC assurent quant à elles le contrôle et la synchronisation des sous ensembles de sondage ainsi que la mise en œuvre des algorithmes de traitement du signal.

La synchronisation de l'émetteur et du récepteur est assurée par ces cartes associées à des récepteurs de type GPS. Le système peut donc être utilisé entre tous les points du globe. Outre un processeur de type TMS320C31, la carte de traitement du signal comporte le convertisseur analogique numérique, précédé par un filtre anti-repliement.

En option, avec la version bistatique du sondeur, des cartes modems insérées dans les PC peuvent être utilisées pour des tâches de commande à distance ou de télémaintenance au travers d'un réseau téléphonique commuté ou non. Dans ce cas, il est possible de piloter une expérimentation à partir d'un seul site ( en général le site de réception ).

L'interface graphique du sondeur a été développée sous MS-WINDOWS. Il permet à l'utilisateur de paramétrer les conditions de fonctionnement souhaitées mais aussi d'afficher les résultats. Tous les avantages de l'environnement WINDOWS sont ainsi disponibles : aide en ligne et aide contextuelle, souris, multifenêtrage ... .La visualisation des mesures se fait en temps réel pour l'expérimentation en cours ou sous forme de séquences animées pour la relecture des données enregistrées.

Dans le principe, toute unité de stockage compatible PC peut être utilisée pour enregistrer les données. De façon standard, une unité de disque externe avec disque extractible d'une capacité de 1 Gbytes a été retenue. Pour des opérations de routine, à raison de 4 ionogrammes par heure, un tel disque contient une année de résultats.

Les antennes

Les aériens sont à large bande ( 1.5 - 30 MHz ) et ont un diagramme de rayonnement compatible avec le mode de fonctionnement choisi : vertical ou oblique. Le ROS des antennes d'émission est inférieur à 3 dans toute la gamme de fréquence. Pour des expérimentations sous incidence verticale ou quasi-verticale, des antennes de type delta conviennent à la fois à l'émission et à la réception. Deux antennes de polarisations croisées permettent à la réception de procéder à la séparation des modes de propagation " O " et " X ". Pour des expérimentations sous incidence oblique, des antennes de type V inversé conviennent à la fois à l'émission et à la réception quoique à la réception, des antennes cadres peuvent se révéler particulièrement intéressantes dans ce cas, compte tenu de leur faible encombrement.

Scipion^MD: a flexible ionospheric digital sounder

Main features

SCIPION is a new state of the art digital sounder that has been developed by France Telecom-CNET for ionospheric monitoring and research. Extensive data processing using DSP technology has resulted in a low power and full featured system for both vertical and oblique soundings. The sounder is fully programmable so as to allow any user pre-defined schedule to be operated. SCIPION provides numerous measurements as propagation parameters and impulse response sequences of the ionospheric transmission channel. For these measurements, frequency as well as antenna diversity can be performed.

The SCIPION ionospheric digital sounder is described in this paper together with illustrations of some of its capabilities obtained during actual experimental campaigns.