Simulateur électromagnétique d'erreur VOR par méthodes déterministes : Application aux parcs éoliens

par Ludovic Claudepierre

Thèse de doctorat en Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence

Sous la direction de Christophe Morlaas Courties et de Rémi Douvenot.

Le président du jury était Nathalie Raveu.

Le jury était composé de Christophe Morlaas Courties, Rémi Douvenot, Christophe Dehaynain.

Les rapporteurs étaient Fernando Pérez Fontán, Bernard Uguen.


  • Résumé

    Étant donné l'urgence environnementale, le développement des énergies renouvelables s'est fortement accru ces dernières années. L'implantation de champs d'éoliennes est notamment en pleine expansion dans toute l'Europe. Ces éoliennes, de structure diélectrique et métallique et de grande taille, peuvent avoir un impact significatif sur les systèmes radiofréquences. En particulier, les systèmes de radionavigation et de surveillance opérés par la DGAC (VOR, radar) doivent cohabiter avec de nouveaux champs d'éoliennes. En effet, ces dernières influent sur le champ électromagnétique des systèmes et peuvent dégrader leurs performances (multitrajets, masquages... ). Il est alors important de pouvoir quantifier ces dégradations, en particulier dans le cas du VOR où les multitrajets engendrent une erreur de relèvement. Dans ce travail de thèse, un simulateur électromagnétique appelé VERSO (VOR ERror SimulatOr) est développé. Il permet d'estimer l'impact d'objets diffractants, en particulier d'éoliennes, sur le signal VOR. Dans la littérature, différentes techniques de modélisation sont proposées pour prédire ces phénomènes. Certaines sont trop approximatives, d'autres trop coûteuses en temps. Ainsi, le choix des techniques utilisées dans ce simulateur a été guidé par le compromis entre précision et temps de calcul. L'équation parabolique est utilisée pour modéliser la propagation de la source jusqu'aux éoliennes afin de prendre en compte le relief. Ensuite, une méthode d'optique physique sur matériaux diélectriques est mise en œuvre pour calculer le champ diffracté par ces objets. Le modèle électromagnétique de l'éolienne et les hypothèses inhérentes aux méthodes utilisées par VERSO ont été validés aux fréquences VHF (VOR) par comparaison avec la méthode des moments qui fait office de référence. Une extension de VERSO pour les systèmes radars a été abordée. Par conséquent des validations similaires à ces fréquences ont été réalisées. Plus spécifiquement, un modèle de pale d'éolienne prenant en compte la présence du parafoudre est proposé aux fréquences VOR et radar. Les effets de masquage sont eux aussi quantifiés pour ces 2 domaines de fréquences. Il est notamment démontré que l'effet de masquage pour des éoliennes alignées radialement à un VOR est négligeable. Cette approximation ainsi que le modèle de pale sont ensuite utilisés dans le programme VERSO. Ce dernier est validé à l'aide de contrôles en vol sur un scénario de 9 éoliennes implantées à 5 km du VOR de Boulogne-sur-Mer. Une étude quantitative de l'impact de chaque partie des éoliennes est menée afin de discriminer la source majoritaire d'erreur VOR. On constate notamment qu'à grande distance du VOR dans le scénario d'observation considéré, le mât constitue le principal contributeur en terme de champ diffracté et d'erreur VOR. Enfin, une étude statistique sur l'erreur VOR a permis d'obtenir un simulateur de scénarios qui donne l'erreur maximale avec une confiance fixée, en minimisant le nombre de simulations à effectuer. Pour accélérer cette méthode, une expression analytique approchée de l'erreur VOR maximum a été développée en fonction de la distance d'implantation et de la hauteur du mât de l'éolienne. Cette dernière étude fournit une méthode rapide pour évaluer l'impact de la construction d'un champ d'éoliennes quelconque à proximité de systèmes de l'aviation civile.

  • Titre traduit

    Electromagnetic simulator of VOR error using deterministic methods : Application to windfarms


  • Résumé

    Considering the ecological emergency, the renewable energy development has greatly increased for a decade. In particular, the windfarms implantation rapidly expands in Europe. These windturbines are large obstacles composed by dielectric and metallic materials. So their impact on electromagnetic devices is significant. The radionavigation systems for the civil aviation services are particularly concerned. However, they have to work side with new windfarms. Actually, these latter cause scattering effects on the electromagnetic signals and can degrade the performances of these equipments (multipaths, shadowing effects etc.). Thus, quantifying these degradations is crucial, particularly on the VOR devices where multipath effects cause an error on the azimuth. In this thesis work, an electromagnetic simulator called VERSO (VOR ERror SimulatOr) is developed. It can estimate the impact of scattering objects, especially windturbines, on the VOR signal. In literature, several techniques are proposed to model these phenomena: some make coarse approximations and some others are memory intensive. Thus, the choice over the methods used in VERSO is a compromise between precision and memory requirement. The parabolic equation is used to model the propagation from the source to the windturbines so as to take the relief into account. A physical optic based method is used to compute the field scattered by these objects. The electromagnetic model of the windturbine and the hypothesis due to the methods used by VERSO have been validated in the VHF (VOR) frequency by comparison with the method of moments, which is the reference. An extension of VERSO for the radar systems is introduced. Consequently similar validations have been performed at radar frequencies. In particular, a windturbine blade model taking into account the lightning protection is proposed for the VOR and the radar frequencies. The shadowing effects are also quantified in both frequency domains. Especially, a demonstration that the shadowing effects due to radially implemented windturbines can be neglected around a VOR beacon is proposed. This approximation and the blade model are used for the implementation of VERSO. This simulator is validated by comparison with measurements on 9 windturbines built 5~km far from a VORC in Boulogne-sur-Mer (France). A study is performed to quantify the influence of each part of the windturbine. The mast is shown to be the main contributor regarding to the electromagnetic field and the VOR error. Finally, parametric simulations are performed and analytic expressions are proposed to describe the evolution of the maximum VOR error with respect to the mast size and the distance VOR-windturbine. The latter study gives some key parameters that need to be considered for the elaboration of a windfarm building plan close to civil aviation systems for the project to be viable.


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