La fiabilité des liaisons de données dans les systèmes de télédétection détermine directement la qualité et l'actualité des informations recueillies auprès des satellites, des véhicules aériens sans pilote (UAV) et des capteurs au sol. À mesure que la demande de plus en plus forte de données et de surveillance en temps réel augmente, les canaux de communication sont confrontés à des menaces croissantes liées aux interférences, au bruit et aux embrouillages intentionnels. La communication du spectre est apparue comme une technologie fondamentale qui fournit la robustesse requise pour ces liaisons critiques pour la mission.

Qu'est-ce que la technologie de diffusion du spectre?

Dans les communications traditionnelles à bande étroite, le signal occupe juste assez de bande passante pour transporter efficacement les données. Le spectre de diffusion élargit délibérément cette bande passante, souvent par un facteur de dizaines à des milliers, en utilisant un code ou une séquence de diffusion connu à la fois par l'émetteur et par le récepteur. Le récepteur corréle alors le signal à bande large entrant avec une réplique du code de diffusion pour récupérer l'information à bande étroite originale. Ce processus offre plusieurs avantages opérationnels, notamment un gain de traitement qui réduit l'impact des interférences.

Histoire et développement

Le concept remonte aux années 1940, lorsque l'actrice Hedy Lamarr et le compositeur George Antheil ont breveté un système de happing de fréquence destiné à protéger les signaux de guidage de torpilles contre les brouillages. Leur idée, cependant, n'a pas vu d'application pratique avant les années 1960 et 1970, lorsque l'électronique numérique a rendu possible la synchronisation nécessaire. L'armée américaine a adopté un spectre de diffusion pour des communications sécurisées, et plus tard, des applications civiles telles que le Système mondial de positionnement (GPS) et le Wi-Fi (IEEE 802.11) ont mis la technologie en application.

Principe fondamental : Gain de traitement

La mesure clé qui quantifie le bénéfice du spectre de diffusion est le gain de traitement (Gp), défini comme le rapport de la bande passante transmise (B[t[) à la bande passante d'information (Bi. Sous forme de décibels, G[p[ (dB) = 10 log10(Bt / Bi]. Un système de spectre de diffusion directe à séquence typique (DSSS) pourrait avoir un gain de traitement de 20 à 40 dB, ce qui signifie que le signal reçu peut être jusqu'à 100 à 10 000 fois plus résistant au brouillage qu'un signal à bande étroite à la même puissance.

Comparaison avec les communications à bande étroite

Dans les systèmes à bande étroite, une seule source d'interférence, qu'elle soit d'un autre émetteur radio, d'une source harmonique ou d'une source naturelle de bruit, peut bloquer complètement le signal. Le spectre de diffusion diffuse la puissance d'interférence sur toute la bande, de sorte qu'après avoir démultiplié, seule une fraction de l'interférence entre les fréquences d'information est comprise dans la bande passante. De plus, les signaux de diffusion sont moins décelables parce que leur densité spectrale de puissance est faible, souvent inférieure au plancher sonore, ce qui les rend résistants à l'écoute et à l'interception involontaire.

Types de techniques de diffusion du spectre

Deux familles primaires de spectres de diffusion, soit le saut de fréquence et la séquence directe, dominent les systèmes pratiques, avec des variantes hybrides également utilisées dans les conceptions avancées.

Spectre de diffusion de la fréquence de mise en place (SHSS)

Le FHSS divise la bande passante disponible en plusieurs canaux de fréquence. L'émetteur commute rapidement la fréquence porteuse entre ces canaux selon une séquence pseudo-randome connue du récepteur. Le temps de séjour par canal est généralement court – sur l'ordre de millisecondes ou moins. Le motif de saut est synchronisé entre l'émetteur et le récepteur, permettant au récepteur de suivre la séquence de saut. Le FHSS offre une excellente résistance aux interférences à bande étroite car un brouillage qui ne couvre que quelques canaux n'affectera qu'une fraction des données transmises. Si le codage de correction d'erreurs est appliqué, les données perdues peuvent souvent être récupérées.

En télédétection, le système FHSS est utilisé pour les liaisons télémétriques pour les satellites à orbite basse (LEO) et les systèmes militaires de télédétection où la protection contre les inflammations (AJ) est essentielle. Par exemple, le réseau satellite Iridium utilise le système FHSS pour ses liaisons croisées et les liaisons utilisateurs, ce qui permet de résister aux interférences dans la bande L. Un système FHSS typique en télédétection pourrait sauter plus de 100 canaux ou plus pour obtenir des gains de traitement de 20 à 30 dB.

Spectre de diffusion directe des séquences (DSSS)

Le DSSS multiplie le signal de données par un code de bruit pseudo-random élevé (PN) qui répartit le signal sur une large bande passante. Le débit de puces – le taux du code PN – détermine le facteur de diffusion. Au récepteur, le même code PN, synchronisé dans le temps, sert à disséminer le signal, à écrouler le signal à large bande vers l'information originale en bande étroite. Le DSSS offre un gain de traitement élevé et est particulièrement efficace contre les interférences à large bande et en bande étroite. Il offre également une immunité inhérente à la décroissance multipathe parce que les copies retardées de la décoration du signal apparaissent comme un bruit de faible niveau après la démultiplication.

Le système de positionnement global (GPS) est un exemple important de DSSS en télédétection. Chaque satellite GPS transmet un code PN unique, permettant à tous les satellites de partager la même bande de fréquences (L1 à 1575,42 MHz) avec une interférence mutuelle minimale. Le récepteur est capable de corréler avec plusieurs codes simultanément permet un positionnement précis. Dans les satellites d'observation de la Terre, DSSS est utilisé pour les liaisons de commande et de télémétrie, fournissant une communication fiable même lorsque le satellite est à des angles de basse altitude où le multipathe est sévère.

Autres variantes et techniques hybrides

Le spectre de diffusion des chiroptères (CSS), utilisé dans certains réseaux radar et étendus à faible puissance (par exemple LoRa), module le signal avec une fréquence linéaire balayée au fil du temps. CSS offre une excellente robustesse contre les déplacements de Doppler et est bien adapté aux plates-formes de télédétection dynamiques comme les UAV. Les systèmes hybrides combinent souvent le SFSF et le SSSD pour obtenir les avantages des deux systèmes : l'évitement des interférences du SFSF et le rejet des interférences du SSSD. Ces techniques hybrides sont courantes dans les systèmes de télédétection militaires où l'environnement de menace exige de multiples couches de résilience.

Avantages de la diffusion du spectre dans la télédétection

L'adoption de fréquences étendues dans les liaisons de données de télédétection est motivée par des avantages quantifiables en termes de fiabilité, de sécurité et de flexibilité opérationnelle.

Amélioration de la fiabilité et de l'atténuation des interférences

Les liaisons de télédétection fonctionnent souvent dans des bandes de fréquences partagées avec d'autres services, comme les services fixes par satellite, la téléphonie mobile ou le radar, entraînant des interférences intentionnelles ou involontaires. Le gain de traitement de spectre réduit les interférences à bande étroite par le rapport de la bande passante de diffusion à la bande passante d'information. Par exemple, un système DSSS avec un gain de traitement de 30 dB peut tolérer un signal d'interférence 1000 fois plus fort que le signal souhaité à la même fréquence, assurant ainsi le maintien efficace du lien.

Amélioration de la sécurité et faible probabilité d'interception

Cette faible probabilité d'interception (LPI) permet de protéger les données sensibles de télédétection contre l'accès non autorisé. De plus, le code de diffusion lui-même agit comme une forme de chiffrement : sans connaissance de la séquence PN, un e-speaker ne peut pas disséminer le signal. Bien qu'il ne remplace pas un chiffrement cryptographique fort, le spectre de diffusion ajoute une couche de sécurité physique.

Résistance aux risques de jonglage et aux capacités anti-jam

Un brouillage à bande étroite qui brûle à travers une fraction de la bande passante a un impact minime parce que le processus de démultiplication du récepteur étend la puissance du brouillage sur toute la bande passante, réduisant ainsi son effet à un niveau tolérable. Un brouillage à bande large qui tente de couvrir toute la bande passante doit rayonner d'une puissance énorme pour maintenir la même efficacité de brouillage – souvent impraticable ou facilement détectée. FHSS ajoute une couche de protection supplémentaire : même si un brouillage détecte une fréquence, l'émetteur saute sur un nouveau canal avant que le brouillage puisse le suivre.

Robustes dans les environnements bruyants et multipathes

Les plates-formes de télédétection fonctionnent souvent dans des environnements où le bruit ou la propagation multipathe sont importants : zones urbaines, terrains montagneux ou près de plans d'eau où les réflexions provoquent l'annulation du signal. Les propriétés d'autocorrélation du DSSS le rendent intrinsèquement robuste à multipathe : les versions retardées du signal ne sont pas corrélées avec le chemin direct souhaité, de sorte qu'elles ne contribuent qu'à une petite augmentation du niveau sonore après la diffusion.

Applications dans les systèmes de télédétection de diffusion du spectre

Les techniques de diffusion du spectre sont maintenant intégrées dans une vaste gamme de plateformes de télédétection, allant des grands satellites d'observation de la Terre aux petits drones et aux réseaux de capteurs in situ.

Communications par satellite

Presque tous les satellites de télédétection modernes utilisent le spectre de diffusion pour au moins leurs liaisons de télémétrie, de suivi et de commande (TT&C). Les missions Sentinel de l'Agence spatiale européenne, par exemple, utilisent le DSSS dans la bande S pour la commande et la télémétrie avec des gains de traitement d'environ 20 dB, assurant la fermeture des liaisons même pendant la faible altitude passe par l'ionosphère. Le programme américain Landsat utilise le spectre de diffusion dans la bande X pour les liaisons de données scientifiques à haut débit, assurant la fiabilité sur de longues distances.

Véhicules aériens sans équipage (UAV)

Les liaisons de surveillance, de surveillance et de détection environnementale utilisées dans de nombreuses opérations de l'UAV sont vulnérables aux interférences des émetteurs au sol, des lignes de commande et des liaisons de contrôle et des liaisons de descente de données vidéo. Le SFSF est commun dans les systèmes de contrôle des drones consommateurs et industriels (p. ex., la bande ISM de 2,4 GHz) car il évite les fréquences encombrées en sautant sur 40 à 80 canaux. Pour les applications à large bande comme l'imagerie hyperspectrale, le SSSD fournit le rejet nécessaire des interférences et permet l'utilisation de radios définies par logiciel pour adapter le facteur de diffusion en fonction du rapport signal-bruit. L'Administration fédérale de l'aviation (AAF) et d'autres organismes de réglementation ont reconnu que le spectre de diffusion est une technologie clé pour des opérations d'UAV sûres et fiables dans le spectre partagé.

Réseaux de télédétection au sol

Les grands réseaux de capteurs terrestres, tels que les radars météorologiques, les moniteurs sismiques et les observatoires environnementaux, communiquent souvent sans fil sur de longues distances. Le spectre de diffusion permet à ces réseaux d'exploiter des bandes ISM sans licence (p. ex. 900 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz) tout en coexistant avec le Wi-Fi, Bluetooth et d'autres utilisateurs. Par exemple, le Réseau national de l'Observatoire écologique (NEON) utilise des radios de spectre de diffusion pour les données rétro-haul provenant de sites de terrain éloignés, permettant des liaisons fiables sur 10 à 20 km.

Conclusion et orientations futures

La technologie de diffusion du spectre demeure la pierre angulaire de liaisons fiables de données de télédétection. Sa capacité à atténuer les interférences, à résister aux brouillages et à fonctionner de façon robuste dans des environnements bruyants et multipathes le rend indispensable pour les systèmes de télédétection actuels et futurs.À mesure que le spectre électromagnétique devient de plus en plus encombré de satellites, de dispositifs IdO et de réseaux sans fil, la nécessité de diffuser le spectre ne fera qu'augmenter.

Pour de plus amples informations sur les fondamentaux du spectre et les applications de télédétection, voir les ressources suivantes: