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La radio logicielle au service de l’efficacité aéronautique - Par : William Coady, René Jr Landry,

La radio logicielle au service de l’efficacité aéronautique


William Coady
William Coady est bachelier et maîtrisard en génie électrique, spécialisation systèmes intégrés pour le secteur aérospatial à l’ÉTS. Il a notamment travaillé sur le développement de radios logicielles au laboratoire LASSENA de l’ÉTS.
Programme : Génie électrique 

René Jr Landry
René Jr Landry Profil de l'auteur(e)
René Jr Landry est professeur au Département de génie électrique à l’ÉTS et directeur du laboratoire LASSENA. Son expertise porte sur les systèmes embarqués, la navigation et l’avionique.
Programme : Génie électrique 

Image d’en-tête de Jpatokal : licence CC, source.

À tout instant, plusieurs milliers d’aéronefs doivent se partager des espaces aériens de plus en plus congestionnés. D’ailleurs, la compagnie Boeing prévoit une croissance du trafic aérien commercial de 5 pour cent par année pour les 20 prochaines années. C’est pour cela que la radio navigation moderne est un élément critique, car elle permet d’émettre une position précise et de recevoir celle des aéronefs environnants. Elle permet aussi aux contrôleurs de mieux gérer l’espace aérien.

Les constructeurs aéronautiques investissent des sommes faramineuses pour développer des aéronefs de plus en plus efficaces. Présentement, une majorité des systèmes de radio navigation sont installés séparément, dans des équipements dédiés non reconfigurables en temps réel et dispendieux. De plus, certains d’entre eux utilisent des antennes séparées. En ajoutant les systèmes de redondance à chacun, le poids ajouté est substantiel et diminue considérablement l’efficacité.

Grâce à l’apparition de nouvelles technologies telles que les radios logicielles, il est maintenant possible de combiner plusieurs systèmes de radio navigation dans un seul équipement avec une seule antenne partagée. Ces équipements sont non seulement moins lourds mais aussi moins coûteux à l’achat et en entretien en plus d’être reconfigurables en tout temps. L’objectif de ce projet consiste à concevoir un transpondeur Mode S et ADS-B pour ensuite les intégrer avec une fonction DME dans une radio logicielle de type USRP E110.

Transpondeur Mode S (TMS)

Les transpondeurs permettent de combler les lacunes des radars principaux qui ne peuvent pas établir l’altitude et l’identification d’un avion. En effet, le fonctionnement de base est assez simple : un radar secondaire envoie une interrogation en direction de l’aéronef détecté. Lorsque celui-ci la reçoit, il retourne la réponse appropriée. Le mode S est en fait un lien de données numériques permettant à l’interrogateur de choisir parmi une multitude de réponses possibles en plus de l’identifiant et de l’altitude. Les interrogations sont nommées « Uplink Format (UF) » et sont émises sur la fréquence de 1.03 GHz alors que les réponses sont nommées « Downlink Format (DF) » et utilisent la fréquence de 1.09 GHz. La figure 1 montre bien ce fonctionnement.

Figure 1 : Fonctionnement des transpondeurs, ATCRBS : « Air Traffic Control Radar Beacon System » et ATC : «Air Traffic Control».

Figure 1 : Fonctionnement des transpondeurs « Air Traffic Control Radar Beacon System » (ATCRBS) et « Air Traffic Control » (ATC)

Le système ADS-B

Le système « Automatic Dependent System Broadcast » (ADS-B) est un système faisant partie de la réforme de la « Federal Aviation Administration » (FAA) visant à améliorer la surveillance par radar (NextGen) et sera obligatoire dès janvier 2020. Cette technologie sert principalement à transmettre périodiquement la position d’un aéronef. Celle-ci étant obtenue à l’aide de systèmes de positionnement global par satellite  (GNSS), elle élimine la nécessité d’avoir recours à des stations au sol, tel le ATCRBS et permet donc l’ouverture de nouvelles voies commerciales. La figure 2 illustre bien l’idée générale de ce système.

Figure 2 : Fonctionnement de l’ADBS-B, l’information transmise est nommé ADS-B/Out alors que les informations reçus sont nommé ADS-B/In.

Figure 2 : fonctionnement de l’ADBS-B : l’information transmise est nommée ADS-B/Out alors que les informations reçues sont nommées ADS-B/In.

Le système DME

Le système DME permet de mesurer la distance entre une balise au sol et un aéronef. Ce dernier transmet une interrogation composée d’impulsions espacées d’une distance spécifique. Lorsque la station au sol capte l’interrogation, elle transmet après un délai prédéterminé, une réponse sur une autre fréquence. L’équipement DME intégré capte celle-ci et calcule le temps entre l’interrogation et la réponse pour établir la distance (slant range). La figure 3 décrit une vue d’ensemble du système.

Figure 3 : Fonctionnement du DME

Figure 3 : fonctionnement du système DME

La radio Logicielle

La radio logicielle est un équipement permettant d’émettre et de recevoir des communications radio. Contrairement aux équipements dédiés, leur fonctionnement est défini par un logiciel écrit par l’utilisateur. Une même radio peut donc être utilisée pour une multitude de tâches. De plus, elles sont reprogrammables en tout temps. Pour ce projet, deux radios de la compagnie Ettus Research ont été utilisées, soit les modèles USRP E110 et USRP N210. Les caractéristiques de ces modèles sont présentées dans le tableau suivant :

Tableau 1 : résumé des caractéristiques des radios Ettus Research USRP E110 et USRP N210Tableau 1 : Résumé des caractéristiques de l’USRP E110 et de l’USRP N210 e Ettus Research

Étapes du projet et conception

La conception du transpondeur Mode S et ADS-B a été séparée en plusieurs processus. Cette stratégie est avantageuse pour les raisons suivantes :

  1. Elle simplifie le développement en permettant de concevoir et de tester une partie à la fois. Cela permet aussi de simplifier la phase de déverminage;
  2. Elle rend le système beaucoup plus portable, car il ne suffit que de revoir quelques processus en cas de changement de plateforme;
  3. Elle permet de simplifier l’optimisation, car il est facile d’isoler les processus qui demandent trop de ressources;
  4. Finalement, cette architecture répond à un besoin de l’industrie : les nouvelles architectures avioniques étant très modulaires, elles permettent une plus grande flexibilité en acceptant de séparer des processus dans différents équipements tout en partageant les ressources avec plusieurs technologies. La figure suivante représente une vue d’ensemble de l’architecture logicielle proposée.
Figure 4 : Synthèse de l’architecture logicielle proposée.

Figure 4 : synthèse de l’architecture logicielle proposée.

Nous avons pu ainsi intégrer au modèle USRP E110 le système DME, l’ADS-B/Out et une interface permettant de tester le système à l’aide d’un simulateur de vol. Par contre, les systèmes ont été développés sur le processeur cortex A8 de la radio. Celui-ci ayant des ressources très limitées il n’a pas été possible de faire fonctionner le système DME et l’ADS-B en parallèle. Pour remédier à cela, il faudra se tourner vers le développement sur FPGA, qui est beaucoup plus rapide et offre plus de ressources. De plus, les développements futurs seront portés sur de nouvelles radios de la compagnie NUTAQ.

Tous ces projets s’inscrivent dans l’optique de développement de plusieurs joueurs de l’industrie aéronautique tel que Bombardier et Marinvent.

 

William Coady

Profil de l'auteur(e)

William Coady est bachelier et maîtrisard en génie électrique, spécialisation systèmes intégrés pour le secteur aérospatial à l’ÉTS. Il a notamment travaillé sur le développement de radios logicielles au laboratoire LASSENA de l’ÉTS.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LASSENA – Laboratoire des technologies spatiales, systèmes embarqués, navigation et avionique 

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René Jr Landry

Profil de l'auteur(e)

René Jr Landry est professeur au Département de génie électrique à l’ÉTS et directeur du laboratoire LASSENA. Son expertise porte sur les systèmes embarqués, la navigation et l’avionique.

Programme : Génie électrique 

Laboratoires de recherche : LACIME – Laboratoire de communications et d'intégration de la microélectronique  LASSENA – Laboratoire des technologies spatiales, systèmes embarqués, navigation et avionique 

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