Modèles de multitrajets et de récepteur pour évaluer l'erreur angulaire VOR : application aux parcs éoliens

Multipath and receiver models for assessing the VOR bearing error : application to wind farms

• Auteur / Autrice : Seif Ben Hassine
• Direction : Alexandre Chabory, Christophe Morlaas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 30/06/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de recherche en Télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche ENAC (Toulouse ; 2019-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Traitement du signal

Transports aériens

Mots clés libres

Modèle de propagation électromagnétique

Multitrajets

Récepteur VOR

Éoliennes

Propagation electromagnetic model

Multipath

VOR receiver

Wind turbines

Résumé

L'implémentation des éoliennes à proximité des systèmes VOR (VHF Omnidirectional Range) est une préoccupation importante pour l'aviation civile. Les éoliennes constituent une source de multitrajets qui peuvent produire des erreurs sur l'information d'azimut estimée par le récepteur d'avion. Dans la littérature, l'erreur VOR est calculée à partir de paramètres multitrajets en utilisant l'expression analytique proposée par Odunaiya et Quinet. Dans cette thèse de doctorat, nous avons développé un modèle d'un récepteur IQ numérique qui peut reproduire la réponse d'un récepteur VOR lorsque les multitrajets varient dans le temps tout au long d'une trajectoire réaliste d'avion. Le Chapitre 1 présente les principes de base des systèmes : VOR conventionnel (VORC) et VOR Doppler (VORD). Le phénomène de multitrajets générés par les éoliennes à proximité des stations VOR est détaillé en présentant ses paramètres et certaines méthodes de modélisation associées qui existent dans la littérature. Un aperçu des récepteurs VOR est présenté en décrivant la structure classique d'un récepteur VOR et les étapes du traitement du signal appliquées afin d'extraire l'information d'azimut. Les expressions de l'erreur VOR proposées par Odunaiya et Quinet pour les systèmes VORC et VORD sont données et illustrées. Dans le Chapitre 2, nous présentons notre modèle de récepteur IQ numérique. Un générateur de séries temporelles au long d'une trajectoire réaliste d'avion est présenté. Un critère échantillonnage est également proposé pour être sûr de capturer toutes les variations de multitrajets dans l'espace. Le modèle de récepteur IQ numérique est détaillé en décrivant ses composantes. Afin d'analyser l'effet et dynamique de multitrajets sur le récepteur VOR, un test d'illustration est donné en comparant la réponse du modèle avec l'expression d'Odunaiya. Dans le Chapitre 3, le comportement de notre modèle de récepteur IQ numérique est analysé en le comparant avec un récepteur de calibration (R&S EVS300) à l'aide de deux mesures de laboratoire. La première mesure est effectuée dans la bande des fréquences VHF en traitant un multitrajet canonique. La seconde mesure est effectuée en utilisant des signaux en bande de base IQ générées à partir d'une simulation d'un scénario complexe. Les résultats des mesures montrent un bon accord entre les récepteurs. Une analyse critique de récepteur VOR est présentée dans le Chapitre 4. Pour le VORC, nous présentons une méthode permettant de déterminer le domaine de validité de l'expression statique d'Odunaiya afin de calculer l'erreur VOR. Pour le VORD, nous montrons que l'erreur VOR est sensible au type de démodulateur FM en développant et en validant une expression alternative de l'erreur Doppler analytique qui est cohérente avec notre démodulateur FM. Enfin, nous évaluons l'analyse de Bredemeyer qui indique que l'effet et des multitrajets sur le signal de référence doit être pris en compte dans le calcul de l'erreur VORD. Dans le Chapitre 5, nous proposons un modèle statistique d'erreur VOR dont les seuls paramètres sont les positions de l'avion et de l'éolienne et les autres paramètres suivent des distributions statistiques. Ce modèle permet de réduire le temps de simulation électromagnétique. Tout d'abord, nous déterminons les distributions statistiques associées aux paramètres multitrajets. Ensuite, la distribution statistique associée à l'erreur VOR est déduite. Enfin, nous effectuons des simulations de Monte Carlo pour évaluer les paramètres des distributions statistiques.

The implementation of wind turbines close to VHF Omnidirectional Range (VOR) systems is an important concern for civil aviation. The wind turbines constitute a source of multipath that can yield bearing errors in the azimuth estimated by aircraft receivers. In the literature, the bearing error is computed from the multipath characteristics by means of the analytic expression proposed by Odunaiya and Quinet. In this PhD thesis, we have developed a digital IQ receiver model which can reproduce the response of a VOR receiver when the multipath change in time along a realistic aircraft trajectory. In Chapter 1, the basic principle of the Conventional VOR (CVOR) and Doppler VOR (DVOR) is pre-sented. The multipath phenomenon generated by the wind turbines in the vicinity of VOR stations is detailed by presenting its parameters and some associated modeling methods that exist in the literature. An overview of the VOR receivers is presented by describing the standard structure of a VOR receiver and the signal processing steps to extract the azimuth information. The analytical expressions proposed by Odunaiya and Quinet for the CVOR and DVOR systems are given and illustrated. In Chapter 2, we present our digital IQ receiver model. A time series generator along a realistic aircraft trajectory is presented. A sampling criterion is also proposed to be sure to capture all the multipath variations in space. The digital IQ receiver model is detailed by describing its components. In order to analyze the effect of multipath dynamics on the VOR receiver, an illustration test is given by comparing the receiver model response with the Odunaiya expression. In Chapter 3, the behavior of our digital IQ receiver model is analyzed by comparing with a calibration receiver (R&S EVS300) from two laboratory measurements. The first one is performed in the VHF frequency band for one canonical multipath. The second one is performed using baseband IQ signals in a complex scenario. The measurements results are shown a good agreement between receivers. A CVOR and DVOR analysis are given in Chapter 4. For CVOR, we present a method to determine the validity domain of the static Odunaiya expression for computing the bearing error. For DVOR, we show that the bearing error is sensitive to the type of FM demodulator by developing and validating an alternative expression of the analytic Doppler error which is consistent with our FM demodulator. Finally, we evaluate the analysis of Bredemeyer which indicates that the effect of multipath on the reference signal must be considered in the DVOR error computation. In Chapter 5, we propose a statistical model for the bearing error with which the only parameters are the aircraft and wind turbine positions and the other parameters follow statistical distributions. This model allows to reduce the electromagnetic simulation time. Firstly, we determine the statistical distributions associated with the multipath parameters. Secondly, the statistical distribution associated with the bearing error is deduced. Finally, we perform Monte Carlo simulations to assess the parameters of the statistical distributions.