Prédiction des effets ionosphériques sur la propagation des
ondes électromagnétiques en bande L aux latitudes polaires
Hélène GALIEGUE, Onera, DEMR/RCP, [email protected]
Françoise CARVALHO (CNES), Vincent FABBRO (Onera), Laurent FERAL (UPS, Laboratoire Laplace)
Scintillations ionosphériques et signaux GNSS
Aux hautes latitudes, les lignes de champ magnétique terrestre créent des gradients importants de concentration
d'électrons. Ces irrégularités ionosphériques sont à l'origine de perturbation des signaux GNSS, entraînant des
erreurs de positionnement et des pertes du signal.
Cependant, le besoin de précision est de plus en plus important pour la navigation maritime et aérienne. L'objectif
des travaux présentés est de proposer un modèle de propagation transionophérique afin d'estimer les
perturbations. Ce modèle numérique est le résultat d'un couplage entre la modélisation de la propagation du
signal et la modélisation du milieu ionosphérique.
Schematic of ionospheric effects on GPS signals. McCoy, 2008.
Modélisation de la propagation
Modélisation du milieu ionosphérique
s
Technique couplant :
H0
Implémentation d'un modèle
turbulent statistique pour
caractériser les fluctuations du
milieu : travail dans le repère lié
au LOS, où l'on caractérise le
champ magnétique terrestre H0.
- la propagation d'une onde dans le vide : résolution de
l'équation de propagation de Helmholtz dans
l'approximation des faibles perturbations de Rytov,
Parabolic Wave Equation (PWE)
γ
Θ
α
u
LOS
K
Ψ
- la traversée de plusieurs écrans de phase contenant les
caractéristiques du milieu : Multiple Phase Screen (MPS).
v
β
s
Spectre spatial des irrégularités :
S ∆3ND ( K ) = a ²cσ N2
K
π
p −3
0
3/ 2
 p
Γ 
 2  a ² K ²[1 + ( A² − 1) cos ²Θ ] + K 2
0
 p −3
Γ

 2 
[
v
u
2 approches sont possibles :
]
−p/2
Signal émis par le satellite (phase φ et amplitude χ)
Spectre spatial des irrégularités
S3D(K)
Pente -p
σ²N : variance du TEC (Total Electron Content)
3D-PWE/
2D-PWE/
A = c/a : paramètres d'anisotropie axial (c) et
transverse (a)
2D-MPS
1D-MPS
K0 = 2π/L0 : avec L0 la longueur caractéristique
d'une irrégularité
K r = aK K ZH =0 1 + ( A² − 1) cos ² Θ K Z H =0
Kr/K0
Signal reçu par le récepteur (phase φ' et amplitude χ')
Comparaisons des processus 2D / 3D
Expressions des ratios des variances de log-amplitude et de phase 3D/2D :
2π
χ2
3D
χ2
2D
=
∫ dξ [1 + (A
2π
2
)
− 1 sin ²γ cos ²ξ
]
−p/2
ϕ2
3D
ϕ2
2D
0
∫ dβ (sin ² β )
p / 2 −1
[1 + (A − 1)sin ²γ cos ²(α − β )]
2
− p/2
Cϕ −
=
χ2
3D
χ2
2D
avec Cϕ = f ( p, K 0 , A, γ , λ , H ,ϑ )
Cϕ − 1
0
s
Principales conclusions sur facteurs influençant les ratios des variances
3D/2D :
- α : proche de 0°
H
- γ : supérieur à 10°
v
Hautes latitudes : facteur géométrique constant dû à γ proche de 0°
Équateur : plan 2D coupant l'irrégularité dans sa plus petite dimension
u
Perspectives
- Articles sur la comparaison des approches 2D et 3D, des points de vue analytique et numérique
- Traitement des données des scintillateurs ionosphériques norvégiens pour valider les modèles théoriques
Références
Wheelon, Electromagnetic scintillation, vol. I & II., Cambridge University Press, 2004
Rino, A power law phase screen model for ionospheric scintillation, 1. Weak Scatter, Radio Sciences, vol. 14, number 6, pp. 1135-1145,1979
Rino, Fremouw, The angle dependance of singly scattered wavefields, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, vol. 39, pp. 859-868, 1977