Principes de la localisation par satellite

 

Les principes de la localisation Localisation par un satellite récepteur Localisation par satellites émetteurs

Localisation Doppler, mise en oeuvre la localisation par satellite récepteur (systèmes ARGOS, DORIS, COSPAS-SARSAT)

La localisation d'un émetteur se fait à partir du décalage observé entre la fréquence du signal émis par cet émetteur et la fréquence du signal reçu par le satellite. L'effet Doppler est la variation de fréquence résultant du mouvement relatif de l'émetteur et du récepteur. La fréquence du signal reçu par les instruments à bord du satellite est plus élevée que celle du signal émis quand le satellite se rapproche de l'émetteur, et moins élevée quand il s'en éloigne. Si les fréquences des signaux reçus et émis sont égales, l'émetteur se trouve sur la perpendiculaire à la trace du satellite au sol. La fréquence reçue par le satellite dépend de la fréquence émise par la balise, de la célérité de l'onde porteuse électromagnétique (300000 km/s) et de composante de la vitesse du satellite suivant la direction satellite-balise (direction de propagation de l'onde reçue par le satellite). La vitesse de déplacement de la balise peut être négligée devant celle du satellite (la vitesse du satellite, environ 7 km/s, c'est-à-dire 27720 km/h, est nettement supérieure à la vitesse d'un animal terrestre, marin ou aérien ou à la vitesse d'une bouée dérivante se déplaçant au gré des vents ou des courants...). La relation reliant toutes ces grandeurs est la suivante : Fréquence reçue = (Fréquence émise) + (Fréquence émise x composante de la vitesse du satellite suivant la direction de propagation / célérité des ondes électromagnétiques). Le décalage de fréquence observé est égal à la différence entre la fréquence émise par la balise et la fréquence reçue par le satellite.

La mer et ses occupants équipés d'une balise ARGOS ou d'une balise de détresse : un manchot bleu (nouvelle espèce !) sur son iceberg, une baleine rouge (bien connue des spécialistes !), un gentil dauphin, un avion ayant sûrement des problèmes.

Gros plan sur les "personnages" équipés d'une balise émettrice (y compris le dinosaure: bon, d'accord, on ne connaît pas de dinosaures vivants, mais si il en existait un, il serait sûrement équipé d'une balise ARGOS).

Le satellite récepteur arrive dans la zone où il peut recevoir les signaux. Par exemple, chacun des satellites de la constellation LEOSAR (COSPAS-SARSAT) effectue une révolution complète en environ 100 minutes, à une vitesse de 7 km par seconde. Le satellite balaye une bande de la surface terrestre d'environ 5000 km de largeur à mesure qu'il se déplace au-dessus du globe, son champ de vision instantané à chaque instant couvre approximativement un continent. Observé depuis la Terre, le satellite traverse le ciel en environ 15 minutes, selon l'angle d'élévation maximale de chaque passage.

Ci-dessous, différents éléments sont matérialisés par des tiges métalliques. Les tiges métalliques repérées par des pointillés rouges, verts et jaunes forment un système d'axes orthogonaux : un des axes est orienté suivant une droite reliant le satellite et la balise émettrice, ce qui correspond à la direction de propagation du signal reçu par le satellite (la balise émet suivant plusieurs directions formant un cône d'émission mais seul le signal reçu est pris en compte). Le vecteur vitesse du satellite, orienté suivant la trajectoire se décompose en 3 composantes suivant les 3 axes : seule la composante suivant l'axe représenté en rouge intervient dans la mesure Doppler effectuée par le calculateur du satellite. Les deux autres composantes perpendiculaires à la direction de propagation n'interviennent pas sur la fréquence du signal reçu, seule la vitesse ayant la même direction que la direction de propagation joue un rôle.

Chaque transmission est détectée et son déplacement de fréquence Doppler est calculé. Une position de la balise est alors déterminée au moyen de ces données. En termes simples, l'effet Doppler est le phénomène selon lequel la fréquence d'un signal "tel que perçu" par le récepteur est affectée par l'ampleur de la vitesse relative entre l'émetteur et le récepteur. Si la distance entre l'émetteur et le récepteur diminue, la fréquence perçue par le récepteur est amplifiée par l'effet Doppler. Si la distance augmente, l'effet Doppler réduit la fréquence perçue par le récepteur. En l'absence de vitesse relative, la fréquence perçue par le récepteur est identique à la fréquence émise. Le tracé fréquence / temps ci-contre est typique d'un signal entendu par un satellite défilant passant au-dessus d'un émetteur stationnaire à la surface de la terre. Pour tracer cette courbe, au moins 4 relevés sont nécessaires. Le point d'inflexion de la courbe représente le point dans le temps où le satellite était à proximité maximale de l'émetteur (point TCA: temps de proximité maximale/ Time of Closest Approach). La pente de la courbe au point TCA permet de calculer la distance à laquelle se trouvait l'émetteur de la trace au sol du satellite.

L'orientation du repère orthogonal dépend de la position de la balise par rapport à la trace du satellite, ce qui modifie la valeur de la composante du vecteur vitesse selon la direction de propagation du signal émis par la balise.Sur les schémas ci-contre, le vecteur vitesse, identique dans les 2 cas, est représenté en violet et les 3 composantes du vecteur vitesse en vert, jaune et rouge (en rouge la composante suivant la direction de propagation).

Les points TCA de la balise « verte » et la balise « violette » sont identiques mais les pentes des courbes étant différentes les deux balises ne sont pas situées à la même distance de la trace du satellite.

Il y a cependant une incertitude sur la position d'une balise :