Rapport perseus telecom

Seddik AMARA
Florent MORLAT
Sofiane YOUSFI

Définition 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-

Remerciements

Nous tenons à remercier nos tuteurs de projet M. Didier MEIER, Responsable de la
VA RCM ainsi que M. Xavier LE POLOZEC, Responsable Produits Radio Infrastructure
Mobile chez Ericsson pour nous avoir guidé et fourni de nombreuses documentations
techniques.
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. Fabien
AMOUROUX, responsable du projet PERSEUS pour nous avoir confié ce projet.
Enfin, nous tenons à remercier M. Bruno REMY, Directeur Technique chez Agenium
Solutions pour toute l’aide qu’ils nous ont apportée dans l’utilisation du logiciel STK.

-2-

SOMMAIRE

1 – Introduction ..................................................................................................... 4
A. Présentation du projet ESIGETEL de 3ième année ........................................ 4
B. Présentation du projet PERSEUS ................................................................. 5
C. Présentation de notre projet........................................................................... 9

2/ Description de l’environnement et des outils utilisés : ................................... 11
A. Satellite Tool Kit :....................................................................................... 11
B. Matlab – Simulink :..................................................................................... 13

3/ Chaîne de transmission ................................................................................... 14
A. Définitions................................................................................................... 14
B. Etat de l’art .................................................................................................. 15
C. Bilan de liaison............................................................................................ 22

4 - Simulation de la Chaîne de transmission....................................................... 30
A. Choix du canal ............................................................................................ 30
B. Choix des modulations............................................................................... 31
C. Simulation ................................................................................................... 37
D. Optimisation................................................................................................ 43

5. Conlusion......................................................................................................... 54

6. Glossaire.......................................................................................................... 55

7. Bibliographie ................................................................................................... 56

8. Annexes ........................................................................................................... 57

-3-

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 à
réaliser un projet. Ce projet a tenu une place prépondérante toute au long de l’année scolaire
et a marqué la fin de celle-ci par une soutenance du projet devant le corps enseignant et
éventuellement devant des entreprises invitées.

Le projet réalisé sur l’ensemble de l’année nous permettra de mettre en application les
différentes connaissances acquises toute au long de notre cycle dans l’école. Le projet est
divisé en 3 parties. La première partie concernant une étude bibliographique menée sur
environ les 5 premières semaines. Cette étude précèdera une pré-soutenance en anglais.
Ensuite les 8 semaines suivantes seront consacrées aux aspects théoriques. Enfin la réalisation
technique se consacrera aux 5 dernières semaines.

-4-

B. Présentation du projet PERSEUS

Le projet PERSEUS (Projet Étudiant de Recherche
Spatiale Européen Universitaire et Scientifique), initié par le
CNES (Centre National des Etudes Spatiales), a été
officiellement présenté le 13 juin 2005 à l'occasion du Salon
International du Bourget.

L’objectif de ce projet est de développer et de qualifier en
vol un système de lancement complet après un développement
progressif comportant la qualification des principales
technologies : propulsion, structure, avionique, systèmes
électriques...

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-

Les différents concepts de nano lanceur
Il existe actuellement 3 concepts de nano lanceur concernant le projet PERSEUS : le concept
NLV-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 le
manque 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 première
ère spatiale et sont donc totalement obsolètes. Le but de PERSEUS étant d’amener des
innovations.

Ensuite, un nano-lanceur tri-étage coûterait bien trop cher et des problèmes de fiabilité
pourraient survenir.

De fait, une solution pourrait être un nano-lanceur bi-étage avec largage aéroporté
avec éventuellement des boosters d’appoint.

-6-

Caractéristiques du lanceur
Géométrie : La géométrie du lanceur doit être très simple car il
s’agit de rester dans un cadre très général. Une forme linéaire sera la 12

mieux adaptés mais toutefois difficile à réaliser à cause de la présence
des ergols des premier et deuxième étages. Ces ergols entraîneront donc 10

la présence d’une jupe.
8

Tir sur rampe : Ce critère sera déterminé en fonction de
l’accélération initiale engendrée par les boosters. Toutefois le nano 6

lanceur pesant moins de 5 tonnes est une solution fortement
envisageable.
4

Allumage du premier étage : On pourra prévoir d’allumer le
premier étage à la fin du vol boosté et non pas au sol comme c’est le cas 2

sur 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. De
plus la séquence de boost ne sera pas pilotée, le lanceur devra donc être
stable durant cette phase.

-7-

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

200
Altitude en km

150

100

50

0
-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-50
Temps en s

-8-

C. Présentation de notre projet
Notre projet d’études fait partie intégrante du projet PERSEUS, tout en respectant
notre enseignement. Ainsi, notre projet consistera en la définition de la chaîne de transmission
des différents éléments de télémétrie durant sa phase de lancement afin de pouvoir simuler
son fonctionnement. Il faudra favoriser les systèmes permettant d’avoir une masse et une
consommation réduites. Bien évidemment, cette étude sera soumise à différentes contraintes
que 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 mesure
de 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 de
suivre ces pistes. Ainsi, nous pouvons très bien amener nos propres solutions au problème si
ces 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 suivi
régulier 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 les
fréquences utilisées pour la transmission des télémesures des lanceurs sont situées dans une
bande allant de 2200MHz à 2290MHz.

Le débit de transmission est fixé en début d’étude à 100kbit/s. De plus, nous avons
également prévu d’étudier un système de transmission prévoyant en option des débits de
500kbits/s et 1Mbits/s.

En ce qui concerne l’antenne de transmission, son gain ne pourra être très important en
raison des caractéristiques du lanceur, c’est pourquoi nous l’avons fixé à 3dB. Elle sera de
type omnidirectionnel afin de pallier les éventuelles rotations du lanceur.

-9-

Conduite de Projet
Pour mener à bien notre projet nous avons dû mettre en place une certaine
méthodologie afin de nous permettre une avancée linéaire tout au long du projet. Dans un
premier temps, il nous a fallu nous approprier le sujet. Pour cela, nous avons dû réaliser des
recherches bibliographiques pour savoir et comprendre ce qui se réalisait dans le cadre d’une
transmission à partir d’un lanceur. Ainsi, dans cette approche nous avons pu consulter les
premiers travaux d’élèves de SUPAERO et également la norme CCSDS sur laquelle nous
reviendrons plus tard.

Modulation

Une fois ces études réalisées, nous nous sommes proposé
d’étudier les différentes modulations du signal qui pourraient être
retenues dans le cas du lanceur. Ces différentes modulations sont la
GMSK, la M-PSK (4 ou 2) ainsi que l’OQPSK. Nous avons donc
réalisé une étude comparative de ces différentes modulations avec
leurs différentes caractéristiques et performances.

Bilan de liaison
Ensuite nous sommes passés au bilan de liaison. Celui-ci a été réalisé en prenant
compte de différentes hypothèses jouant sur des paramètres tels la modulation, la distance
maximale ou encore l’atténuation.

Optimisation
Une fois les étapes précédentes réalisées, nous nous sommes penchés sur les codes
correcteurs d’erreurs. En effet, le canal radio n’étant pas parfait et une modulation pouvant
entraîner plus d’erreurs qu’une autre, ce critère-là n’est pas à négliger. Nous nous sommes
limités à l’étude de quelques CCE recommandés par le CCSDS, à savoir le code de Reed
Salomon (255,223) et le code convolutionnel (7,1/2).

Canal de propagation
Ensuite, nous avons déterminé le canal de propagation. Nous avons donc retenu ces
canaux de propagation : Canal gaussien et Canal de Rice.

- 10 -

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 pour
l’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, nous
avons pu utiliser brièvement ce logiciel, sous une licence temporaire. Nous avons pu ainsi
visualiser la courbe de trajectographie en 3D. Nous disposions en effet d’un fichier Excel
contenant 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 l'horizontale locale, en °).
• ASS : angle entre l'axe longitudinale lanceur et l'horizontale 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 avions
choisi la méthode « EphemerisLLATimePos », qui ne nécessite que les mesures de temps, de
latitude, de longitude et d’altitude du lanceur. Ces valeurs sont rentrées dans le fichier
« EphemerisLLATimePos_Perseus.e » suivant l’exemple ci-dessous :
BEGIN Ephemeris

NumberOfEphemerisPoints 29
ScenarioEpoch 1 Jun 2002 12:00:00.000000000
InterpolationMethod Lagrange
InterpolationOrder 1
DistanceUnit Kilometers
CentralBody Earth
CoordinateSystem Fixed

EphemerisLLATimePos

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 36.500000

END Ephemeris

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Une fois ce fichier créé, STK nous permet d’obtenir rapidement l’allure de la
trajectoire du lanceur. De nombreux autres outils d’analyse de trajectoire sont aussi
disponibles sur le logiciel STK, mais la création des fichiers « .e » (attitude du lanceur en l’air
par exemple) est assez longue et fastidieuse.

Figure 2-A-1 : Trajectoire 3D du lanceur (départ Kourou).

- 12 -

B. Matlab – Simulink :

Le principal outil utilisé au cours de notre projet est Matlab 6.1 Release 12 ainsi que
son module Simulink.

1 – Matlab :

Matlab est un logiciel de calcul numérique édité par la société The MathWorks. Il
intègre de nombreuses fonctions de calcul mathématique et permet la création de ses propres
fonctions de calcul. Nous avons utilisé MatLab pour effectuer différents calculs, ainsi que
pour créer quelques petites fonctions de calcul de bilan de liaison, ou encore de tracé de taux
d’erreur binaire pour différentes modulations.

2 – Simulink :

Simulink est un outil intégré à Matlab, qui permet de créer sous environnement
graphique de concevoir et de simuler des systèmes variant dans le temps. De nombreuses
librairies contiennent les différents blocs du système (chaîne de transmission) ainsi que des
blocs d’analyse (scope, analyse spectrale…).

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3/ Chaîne de transmission

A. Définitions

Figure 3-A-1 : Chaîne de transmission

Nous 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, disque
laser, TV haute définition). Ils permettent notamment d’améliorer le taux d’erreur d’une
liaison au travers d’un canal bruité.. Les codes auto-correcteurs d’erreurs proviennent de la
théorie de l’information initiée par C. Shannon dans les années 50. Lorsqu’on transmet une
information au travers d’un canal “bruité" l’information parvient au récepteur avec des
erreurs. On se propose de détecter les erreurs et de les corriger de façon automatique (si le
nombre d’erreurs n’est pas trop grand).
Un CCE est un code qui permet, outre la détection, la correction automatique de certaines
fautes détectées lors d’une transmission. Il existe plusieurs CCE chacun ayant ses avantages et
ses inconvénients. Les plus utilisés sont les codes convolutifs, BCH, Reed Salomon, Turbo
Codes et les codages en bloc.

Modulation/Démodulation :

Tout signal transportant une information doit passer par un moyen de transmission
entre l'émetteur et le récepteur. Une fois élaboré, le signal est rarement adapté à la
transmission directe par le moyen choisi. Il faut le modifier avant de commencer sa
transmission. La modulation peut être définie comme le processus par lequel le message est
transformé de sa forme originale en une forme adaptée à la transmission. C'est un processus
qui peut être réalisé en utilisant une porteuse haute fréquence, dont les paramètres varient
suivant des fonctions linéaires du message à transmettre. Au niveau du récepteur, ce
processus est inversé par des méthodes de démodulation. On peut montrer que la modulation
est équivalente à une translation de spectre des signaux. Dans le cas des systèmes linéaires,
comme la modulation d'amplitude, les composantes du spectre sont translatées sans
pratiquement aucun changement dans la distribution de leurs énergies relatives, tandis que
dans le cas des systèmes non-linéaires, comme la modulation de fréquence, un tel processus
implique la génération de nouvelles fréquences et d'une distribution d'énergie différente. Il
existe différents types de modulation dont les plus utilisés sont les modulations en fréquence,
en amplitude et en phase.

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Canal :

Le canal radio est un modèle qui permet de caractériser l’interface entre l’émission et la
réception. Un canal possède trois propriétés fondamentales :
o Affaiblissement de parcours
o Variabilité (shadowing)
o Sélectivité en fréquence
Il existe différents types de canaux basés sur des modèles statistiques : canal AWGN, canal
binaire symétrique, canal de Rice,…

B. Etat de l’art

Pour la télémétrie, les bandes de fréquences utilisées sont dans la bande S, elles doivent
être bien sûr autorisées par le Space Operation service. Les fréquences utilisées les plus
fréquemment 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 fréquence
par une sous porteuse de quelques kHz. Les débits varient de quelques dizaines de bit/s à
quelques kbit/s. Les données transmises correspondent à des résultats de mesure. Une horloge
interne 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. Chaque
trame est constituée de mots et démarre avec un code de synchronisation. La première trame
contient un mot d’identification. Les trames sont identifiées par un compteur. Dans le
standard de l’ESA, le format est constitué de 16 trames et chaque trame contient 48 mots. Les
données sont des mots de 8 bits. Si la donnée nécessite plus de 8 bits, on code la donnée sur
deux mots différents et inversement pour une donnée qui a besoin de moins de 8 bits, on
pourra mettre plusieurs données dans le même mot.

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Standard CCSDS

Le CCSDS (Consultative Committee for Space Data System) est une organisation
internationale constituée de nombreuses agences spatiales internationales.Depuis les débuts
des années 1980, le CCSDS développent une série de recommandations pour la
standardisation des systèmes de transfert de données. (Fréquence, modulation, packet
telemetry, 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’une
source aux utilisateurs. Il est constitué d’une structure en couche où chaque couche
implémente différentes fonctions pour permettre le multiplexage de différents types de
données sur le même canal physique.

Figure 3-B-1 : Structure en couche : Packet Telemetry

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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 un
identifiant utilisé pour le routage du paquet à la destination cible, la longueur de
l’information, et la séquence où d’autres caractéristiques du paquet.

Figure 3-B-2 : Trame du paquet source

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Trames de transfert

Cette trame est de taille fixe et est constituée des paquets sources. Elle permet la
fiabilité et le contrôle d’erreur à travers le moyen de transmission. L’en-tête de cette trame
permet le routage des paquets sources vers la destination.

Figure 3-B-3 : Exemple de télémétrie

- 18 -

Il existe des recommandations au niveau du CCSDS au niveau du codage du canal ainsi
qu’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 -

On peut comparer les performances de ces différents codes afin de comprendre
pourquoi le CCSDS recommande d’utiliser ce codage canal

Figure 3-B-6 : Gain de codage norme CCSDS

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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-2

Dans le cas de notre étude, la modulation recommandée par le CCSDS est la QPSK.

- 21 -

C. Bilan de liaison

Nous avons réalisé notre bilan de liaison Station au sol - Lanceur en nous aidant des
recommandations de l’ITU-R.

Nous utiliserons une antenne de réception d’un mètre de diamètre, de manière à
permettre une certaine mobilité.

Le gain de l’antenne obtenue est donné par :

4Π S
Gdb = 10 log( k × )
λ²
Avec : - k : coefficient d’efficacité (0.7).
- S : surface de la parabole.
- λ : longueur d’onde.

Nous obtenons un gain d’antenne en réception de 26dBi

Données :

Gain d’antenne en réception : 26dBi
Gain d’antenne en émission : 3dBi
Puissance d’émission 30dBm
Fréquence de 2,2 Ghz

Les pertes en propagations dans le cas de notre liaison point à point sont la somme de
différentes 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 comme
une série de couches concentriques délimitant plusieurs zones. Il y a deux grandes zones qui
vont nous intéresser dans le cas de notre étude :

a) L’homosphère (60km à 90km) :

L’homosphère possède trois couches principales différenciées par leur gradient de
température en fonction de l’altitude :
La troposphère
La stratosphère
La mésosphère

- 22 -

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 cette
couche, il existe une quantité d’électrons suffisante pour influencer la trajectoire des ondes
radioélectriques. Elle a été mise en évidence vers 1925 par quelques expérimentateurs
Appleton, Barnett, Breit, Tuve, Marconi… Elle s’étend sur quelques centaines de km au
dessus 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 d'ions 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
Constituée d'oxygène et monoxyde d'azote moléculaires ionisés et d'ions
météoritiques. Diurne et présente tout au long du cycle solaire. Elle réfléchit les ondes
de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de
l'onde sur la couche et de la densité de celle-ci. Au cours de l'été, 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)

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Couche F : altitude de 150 à 800 Km, pression 1.10-4 Pa, température 1000°C densité
Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote et d'hydrogène. Très dépendante de l'activité
solaire, elle présente un niveau d'ionisation 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 qu'elles persistent toute la nuit lors des maxima d'activité 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 transmissions
inférieurs à 10GHz, on peut négliger les atténuations introduites par l’atmosphère. Les deux
principaux gazs qui apportent de l’atténuation sont le CO2 et le H2O. En effet, selon la
recommandation de l’ITU-R 676-8 l’atténuation introduite par l’atmosphère à 2GHz est de
0.07 dB/km.

Figure 3-C-1 : Atténuation du aux gaz atmosphériques

- 24 -

2. Climat

La deuxième source d’atténuation est le climat. Selon la recommandation de l’ITU-R
838-3 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 la
précipitation en mm/h. Dans le cas de notre calcul, il faut prendre le pire cas de précipitation
soit 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 de
7dB. Cette contrainte est à prendre en compte dans les conditions de lancement. En effet cette
atténuation serait très importante dans un bilan de liaison.

Dans la suite de notre étude, nous négligerons l’atténuation introduite par la pluie. Il
faudra donc envisager le lancement dans des conditions météorologiques optimales.

- 25 -

3. Effet Doppler

Lorsque le récepteur et la source se déplacent l'un par rapport à l'autre, la longueur d'onde
à la réception diffère de la longueur d'onde à l'émission.

L'effet Doppler est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue
lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il apparaît
aussi lorsque l'onde se réfléchit sur un objet en mouvement par rapport à l'émetteur ou au
récepteur.

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/s

On 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 sera
utilisée pour la transmission aura des dérives du même ordre de grandeur. On peut donc
considérer que les variations Doppler sont négligeables par rapport aux variations apportées
par les composants de la structure émission/réception. Dans la suite de notre étude, nous
négligerons donc l’effet Doppler.

- 26 -

4. Calculs

On pourra donc considérer que la seule atténuation pour notre calcul du bilan de
liaison 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 maximale
entre la station au sol et le lanceur.

Figure 3-C-4 : Visualisation Transmission

- 27 -

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 km
Distance maximale entre station et lanceur : 1806 km

On prendra une distance de 2000 km pour la distance maximale entre la station et le
lanceur 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 2200

On aura donc après l’application numérique :

A0dB = 165dB

Calcul du signal utile sur bruit

o On calcule la puissance utile :

C=Ge+Gr+Pe-A0dB

Gr : Gain d’antenne en réception : 26dBi
Ge : Gain d’antenne en émission : 3dBi
Pe : Puissance d’émission 30dBm
A0dB : Atténuation en espace libre

- 28 -

o On calcule la puissance de bruit

Le bruit thermique est dû au mouvement des électrons dans les conducteurs. La
puissance de bruit thermique évaluée au niveau de l’entrée du récepteur est donnée par la
formule :

No=FkTB (W)

-23
K : constante de Boltzmann : 1,3804 10 [J/K]
T : température de l’environnement se situant autour du récepteur: 30°C soit 303°K
B : bande passante en Hz
F : facteur de bruit : 3db

- 29 -

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 en
utilisant un canal gaussien et un canal de Rice :

Canal gaussien

Un canal gaussien est un canal qui rajoute un bruit blanc gaussien. Le canal gaussien
n'a pour effet que d'ajouter au signal émis un bruit blanc indépendant du signal et distribué
suivant une loi normale. Pour un rapport signal à bruit donné, générer le signal reçu en
ajoutant 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 et
de composantes multi trajets

Figure 4-A-1 : Canal de Rice

Distribution de Rice :

où σ2 est la variance de la partie réelle ou imaginaire des composants multi trajets et s est
l’amplitude du signal LOS. I0 est la fonction de Bessel modifiée de première espèce et
d’ordre 0. Si s est nul, on obtient la distribution de Rayleigh. Si s est important, on retrouve le
cas du canal AWGN.

- 30 -

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 causes
de trajets multiples se présentent sur la chaîne de transmission : les réflexions sur les couches
atmosphériques étant très faibles, nous prenons un facteur K élevé est pris en compte, et donc
un 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. Pour
cela nous nous sommes basés sur différents critères. Ainsi, la probable utilisation
d’amplificateurs de classe C nous obligent à choisir des modulations dites à enveloppe
constante. En effet, un amplificateur de classe C introduit un effet de seuil ; il s’ensuit que la
porteuse est supprimée pendant un intervalle de temps non négligeable si la modulation n’est
pas à enveloppe constante. De plus, nous avons favorisé les modulations assez simple à mettre
en œuvre et dont nous disposons facilement d’informations. Nous avons également
sélectionné 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 -

2. Pourquoi elles n’ont pas été retenues :

Les modulations à amplitude n’ont pas été retenues bien que simples à réaliser. De
plus, 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 avions
pensé 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 de
phase), ces modulations ne modifient que la phase de la porteuse. Le M représente le nombre
d’états différents que la phase du signal peut prendre.

La BPSK (Binary Phase Shift Keying), est une modulation à deux états. La phase de la
porteuse ne peut être déplacée que par deux états différents : 0 ou Pi comme le montre la
constellation 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 phase
comme 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 la
valeur indiquée dans le tableau.

- 32 -

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 les
passages 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 en
quadrature est décalée d’un temps T/2 (avec T le temps bit). Ainsi, si deux symboles en phase
et 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 successifs
de 90°.

Il existe deux types de modulateurs OQPSK : OQPSK avec modulateur I/Q ou à l’aide
d’un unique modulateur de phase.

Modulateur PM Modulateur I/Q

Figure 4-B-6: Modulateur OQPSK

- 33 -

A noter que les filtrages sont réalisés en bande de base, ce qui permet d’alléger les
facteurs 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’est
une modulation qui est très facile à mettre en œuvre. Malgré tout elle comporte un défaut
majeur. En effet les passages par 0 lors des changements de phase peuvent entrainer quelques
soucis de fonctionnement, l’enveloppe n’étant pas constante (voir ci dessus). Afin de résoudre
ce 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’à
débit 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 permettant
l’utilisation optimale d’amplificateurs de classe C.

On utilise pour le téléphone GSM un type particulier de modulation à 4 états : la
modulation MSK (minimum shift keying). Un décalage en phase de + 90° représente un bit de
données égal à 1, tandis que - 90° représente un 0. Le décalage de fréquence crête à crête d'un
signal MSK est égal à la moitié du débit binaire. Le vecteur passe d’un point à un autre avec
une 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), on
fabrique les signaux i(t) et q(t) de la manière suivante :

- 34 -

Figure 4-B-8: Structure du modulateur MSK

On améliore la modulation MSK en filtrant le signal numérique avant l’intégrateur à
l’aide d’un filtre à réponse impulsionnelle gaussienne : on parle alors de GMSK (Gaussian
minimum shift keying) Les points anguleux de la courbe de phase disparaissent alors, et le
spectre est particulièrement intéressant puisqu’on constate la quasi disparition des lobes
secondaires.

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 le
GSM est le suivant :

Figure 4-B-10: Spectre d’un signal GMSK

- 35 -

La modulation GMSK permet de produire des signaux de porteuse à enveloppe
constante, d'où l'absence de variations d'amplitude dans le signal modulé. Sans variation
d'amplitude pour exciter les erreurs de linéarité de l'amplificateur de l'émetteur, la distorsion
non linéaire n'a pas d'importance majeure. L’amplificateur tend à offrir un compromis entre
linéarité et efficacité, et on peut choisir un amplificateur plus efficace (en classe C) sans que
sa linéarité constitue un souci majeur.

Il existe deux principaux types de modulateurs pour la GMSK, l’un à l’aide d’un
VCO, 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 modulation
à enveloppe constante et à phase continue. Ainsi elle pourra être utilisée avec les
amplificateurs de classe C. L’inconvénient de cette modulation est du au filtrage en
modulation. En effet cela conduit à l’apparition d’interférences entre les symboles (IES). De
plus en pratique, on réalise une démodulation cohérente, cette méthode permettant un taux
d’erreur plus faible.

- 36 -

C. Simulation

Une seule station sans CCE

Nous avons choisi d’étudier trois différentes modulations :
• QPSK – OQPSK
• GMSK 0.5
• BPSK
On réalisera l’étude de ces modulations avec 3 débits :
• 100 kbps
• 500 kbps
• 1 Mbps

Largeurs 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 Mbps
QPSK 50 250 500
GMSK 0,5 50 250 500
BPSK 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 :

kbps réception
100 16.7012
500 9.715
1000 6.702

BPSK :

kbps réception
100 13.6909
500 6.7012
1000 3.6909

- 37 -

-3 -5
Nous avons retenu deux taux de BER pour notre étude, 10 et 10 , figurant parmi les
taux 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.
-5
On 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.
C
Nous devons alors calculer le rapport correspondant à ces différents Eb/No.
N

C Eb Rb
= ×
N No W

Où 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 la
rapidité de modulation. Elle est de 2 pour la QPSK (modulation à code quaternaire).

- 38 -

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
-3
10 .

C
Voici les valeurs calculées de en réception sur notre chaîne :
N

Calcul des C/N en réception :

Débit en kbps C/N en dB en réception
100 16.7
500 9.7
1000 6.7

Observations :

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 -

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 deux
BER.
-5 -3
Un BER de 10 nécessite un Eb/No de 10.6 dB. Un BER de 10 nécessite un Eb/No de 7.9
dB.

C Eb Rb
Nous évaluons ainsi les niveaux de C/N requis : = × .
N No W
Nous 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 10
3
.


100 16.7
500 9.7
1000 6.7

Observations :
Ces valeurs sont identiques à la QPSK. Ceci était prévisible, car notre GMSK utilise un
coefficient 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 -

Modulation 2-PSK (BPSK):

Figure 4-C-3: Courbe de performance BER BPSK

Cette modulation est en général utilisée comme « référence » avec d’autres
modulations. 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, soit
0dB).En conclusion, la BPSK nécessite des niveaux de C/N supérieurs à 9.6 dB pour un BER
-5 -3
de 10 , et supérieur à 6.8 dB pour un BER à 10 .

- 41 -


100 13.7
500 6.7
1000 3.7

Observations :
-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 -

D. Optimisation

1. Ajout de CCE :

Pour nos trois modulations étudiées, seul un débit de 100 Kbits/s passe. Il faut donc
optimiser notre chaîne de transmission par le rajout de Code Correcteur d’Erreurs. Nous
avons 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 = 10
Reed Salomon (255,223) 1.4 3.2
Convolutionnel (7,1/2) 4.2 5.4
Reed Salomon + Convolutionnel 4.9 7.3

Pour 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 permet
d’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 10

QPSK

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 -

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 élevés

GMSK 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 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


Pour assurer un débit de 100 Kbits/s il faut ajouter un code convolutionnel au
minimum.
distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés

BPSK :

correcteur -5
pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000
RS(255,223) 3.2 16.1 9.2 6.2 11.1 4.2 1.2
Conv(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 2.3


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 -

BER de 10-3

QPSK

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 2.9


Les trois codages permettent d’assurer un débit de 100 Kbits/s de télémétrie.
distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés.

GMSK 0.5 :

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 2.9

On doit avoir un C/N supérieur seuil de 10.9 dB :


- 45 -

BPSK :

correcteur -5
pour un BER 10 100 500 1000 100 500 1000
RS(255,223) 3.2 14.3 7.4 4.8 9.3 2.4 -0.2
Conv(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 -0.1



- 46 -

2. Ajout d’une station

On place une nouvelle station de réception dur la côte Est de la Martinique dans la
ville du Vauclin. Les coordonnées sont les suivantes : (14°32'14.00"N, 60°49'35.00"W)

Figure 4-D-1: Nouvelle station en Martinique

L’ajout d’une nouvelle station permet de réduire la distance et donc l’atténuation
causée en espace libre. Nous allons donc étudier une solution permettant d’assurer un débit de
-5
500 Kbits/s pour un BER de 10 .

- 47 -

250 km

1021 km

Arrivée 1533 km Départ

990 km 1353 km

Martinique

QPSK
-5
La distance à partir de laquelle la valeur seuil pour un BER de 10 de 13.5 dB n’est
plus respectée est de 914 km. Cela représente une latitude de 13.4°, on aura donc le lanceur à
une 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 une
série de calculs :

Altitude du lanceur au point de Hand Over : 211 km
Distance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 877.4 km
Distance station2-lanceur au point de Hand Over : 902 km

- 48 -

Or 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 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
correcteur
RS(255,.223) 3.2 18.1 13.1
Conv(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 -

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 de
13.6 dB.

La distance à partir de laquelle la valeur seuil de 13,6dB n’est plus respectée est de
903.7 km

série de calculs :

Altitude du lanceur au point de Hand Over : 211 km
Distance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 879 km
Distance station2-lanceur au point de Hand Over : 904 km

Or la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km.

Conclusion :


Code Gain de codage pour un BER Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB
correcteur 10-5
RS(255,.223) 3.2 18.1 13.1
Conv(7,1/2) 5.4 17.9 12.9
RS+conv 7.3 19.2 14.2

13.6 dB et donc d’assurer les 500 Kbits/s de télémétrie.

- 50 -

BPSK

Comme nous l’avons vu précédemment pour assurer un BER de 10-5 il faut un c/n de
9.6 dB.

La distance à partir de laquelle la valeur seuil de 9.6dB n’est plus respectée est de
1013km.

série de calculs :

Altitude du lanceur au point de Hand Over : 222.5km
Distance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 867km
Distance station2-lanceur au point de Hand Over : 895.2km

Or 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 :


Code Gain de codage pour un BER Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB
correcteur 10-5
RS(255,.223) 3.2 15.1 10.1
Conv(7,1/2) 5.4 14.9 9.9
RS+conv 7.3 16.2 11.2

9.6 dB.
Cependant, on remarque que pour les deux codes utilisés seul la marge est très faible.

- 51 -

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 -

4. Conclusion faisabilité :

Plusieurs choix seraient alors possibles. Le choix d’assurer un débit utile de
100Kbits/s avec une seule station ou d’installer une deuxième station en Martinique, par
exemple, afin d’atteindre des débits de 500Kbits/s.

Une réflexion s’impose alors sur ces possibilités. Il serait d’abord nécessaire de fixer
le débit utile nécessaire.

Ensuite, en fonction du BER visé, une sélection des modulations s’impose en fonction
de leur complexité à être implémentées. Il est à noter que pour un BER de 10-5, le code
concaténé est nécessaire pour assurer le débit en présence d’une seule station. Sa complexité
en terme de temps de calcul risque d’être déterminante dans le choix de cette solution. Une
alternative semblerait être préférable (utilisation du code convolutionnel car plus simple à
réaliser). L’implémentation d’une deuxième station permettrait de n’utiliser qu’un seul code
correcteur (les trois codes différents présentant des performances sensiblement identiques
dans ces conditions).

Enfin, les modulations seront elles aussi un facteur important lors de l’étude de la
complexité 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 -

5. Conclusion

Participer à un projet de l’ampleur de Perseus aura été une expérience très
enrichissante pour nous. En effet, tenter d’apporter une innovation et des connaissances à un
projet qui verra peut-être le jour dans quelques temps, nous aura tenu à cœur et aura suscité
notre intérêt tout au long de l’étude.

Nous avons pu, par l’étude de la chaîne de transmission, apporter des conclusions sur
certains aspects de la télémétrie du lanceur Perseus. Bien que de nombreuses solutions
différentes puissent être envisagées, nous espérons que nos travaux permettront de servir de
base de connaissances pour de futures études du projet Perseus.

Enfin, ce projet nous aura permis de côtoyer des professionnels du monde des
télécommunications et de l’aérospatiale portant elles aussi un vif intérêt à ce projet.

- 54 -

6. Glossaire

BER: Bit-Error-Rate

CCSDS: Consultative Committee for Space Data Systems

ESA: European Space Agency

GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying

OQPSK: Offset QPSK

PSK: Phase Shift Keying

QPSK: Quadrature Phase Shift Keying

AWGN: Additive White Gaussian Noise

BPSK: Binary Phase Shift Keying

C: Puissance utile de la porteuse

N: Bruit thermique

Eb: Energie bit

CCE: Code correcteur d’erreurs

- 55 -

7. Bibliographie
CCSDS:

• 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 Modulations

ITU-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 attenuation

Ouvrages:

• 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 -

8. Annexes
Taux 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
% 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=D

function [j]=bilan(d,D,m)
x=1:d;

%Calcul des bandes passantes des modulations
if 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 réception
y=C-No;
plot(x,y)
min(y)
grid on;
zoom on;

- 59 -

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