- La surveillance satellitaire permet une observation continue des communications et des signaux de navigation par satellite, afin de garantir la qualité des liaisons, de détecter les interférences et de vérifier la conformité aux réglementations spectrales.
- Ces systèmes offrent une visibilité globale et cohérente des comportements des liaisons montantes (uplink) et descendantes (downlink), ce qui est essentiel pour des applications telles que l’intégrité des systèmes de géolocalisation par satellite (GNSS), la surveillance du spectre, la détection d’interférences et la validation des systèmes.
- Teledyne SP Devices explique comment ses solutions de numérisation haute vitesse et de traitement en périphérie permettent d’optimiser la surveillance des signaux satellitaires pour le renseignement RF en temps réel.
Objectifs de surveillance et architecture des systèmes
L’objectif principal de la surveillance satellitaire est de maintenir l’intégrité des liaisons entre l’espace et le sol, ainsi qu’entre le sol et l’espace. Cela inclut la vérification de la qualité des liaisons uplink et downlink, la détection des interférences (qu’elles soient accidentelles ou malveillantes) et le soutien à l’application des réglementations spectrales.
L’architecture des systèmes de surveillance repose généralement sur trois éléments :
- Le segment spatial : composé de satellites équipés de transpondeurs et d’antennes opérant dans des bandes de fréquences définies.
- Le segment sol : incluant des stations de surveillance dotées de grandes antennes, de chaînes RF et de numériseurs.
- Le segment utilisateur : où des logiciels et du matériel spécialisés analysent et visualisent les données capturées.
Bandes de fréquences et considérations d’échantillonnage
Les services satellitaires opèrent dans des bandes de fréquences radio désignées, chacune divisée en sous-bandes uplink et downlink pour minimiser les interférences mutuelles. Les liaisons downlink sont généralement allouées aux fréquences les plus basses d’une bande, en raison d’une atténuation atmosphérique moindre, tandis que les liaisons uplink occupent des fréquences plus élevées pour supporter des débits de données plus importants. Par exemple, le système Galileo utilise des désignations « E » dans la bande L, contrairement à la nomenclature « L » employée par d’autres constellations GNSS.
Du point de vue de la surveillance, cette diversité rend la planification des fréquences et la stratégie d’échantillonnage cruciales. Le taux d’échantillonnage doit garantir que le signal d’intérêt occupe une seule zone de Nyquist, tandis que les composantes hors bande sont supprimées par des filtres analogiques. Pour un échantillonnage direct, cela se traduit généralement par des taux minimaux d’environ 2 Géch./s pour la bande L, 4 Géch./s pour la bande S et 8 Géch./s pour la bande C, sous réserve de l’application de filtres passe-bande appropriés.
Numérisation et capture des signaux en amont
Les stations de surveillance modernes s’appuient sur des numériseurs large bande pour convertir les signaux RF analogiques en flux de données numériques. Des numériseurs comme le modèle ADQ35-WB de Teledyne SP Devices permettent un échantillonnage direct des signaux en bandes L et S, sans nécessiter de mélangeurs de fréquence, ce qui réduit la complexité du système et les efforts de calibration. Avec une résolution de 12 bits et une bande passante utilisable jusqu’à 9 GHz, ces numériseurs offrent une flexibilité de déploiement sur plusieurs bandes satellitaires.
Des amplificateurs bas bruit et des filtres anti-repliement externes restent essentiels pour préserver la fidélité du signal et éviter le repliement spectral lors de la conversion analogique-numérique. Le choix du taux d’échantillonnage impacte directement l’intégrité des données et l’efficacité du traitement en aval. Par exemple, un échantillonnage de la bande L à 5 Géch./s place le signal entièrement dans la première zone de Nyquist, tandis qu’un sous-échantillonnage de la bande S à 4 Géch./s confine le signal à la deuxième zone de Nyquist, avec des bandes de garde suffisantes. En revanche, un taux mal choisi peut diviser le signal entre plusieurs zones de Nyquist, introduisant un repliement spectral inévitable.
Prétraitement par FPGA et réduction des données
Les débits de données brutes issus des numériseurs large bande peuvent dépasser les limites pratiques de transfert et de stockage. À un rythme de 10 milliards d’échantillons par seconde et avec deux octets par échantillon, un seul canal génère environ 20 Go/s. Pour gérer ce volume, un prétraitement par FPGA est utilisé pour réduire les débits avant le transfert via des liaisons PCIe.
Deux approches sont particulièrement pertinentes pour la surveillance satellitaire :
- La compression de bits : réduit le nombre de bits par échantillon, permettant un flux continu dans les limites de la bande passante du bus PCIe tout en conservant l’intégralité des informations spectrales.
- La conversion abaisseuse numérique (DDC pour Digital down conversion) : mise en œuvre via des oscillateurs numériques contrôlés par FPGA, des filtres et des étapes de décimation, elle transpose les canaux RF sélectionnés en bande de base ou en fréquences intermédiaires. Cela réduit non seulement les débits de données, mais améliore également le rapport signal/bruit grâce au filtrage et au traitement cohérent.
Transfert de données haut débit et traitement par GPU
Pour les analyses en temps réel ou quasi temps réel, les architectures basées sur des cartes au format PCIe sont privilégiées. Le transfert de données de pair à pair permet aux numériseurs d’envoyer directement les données aux GPU via le DMA (Direct Memory Access), en contournant le CPU et la mémoire système de l’hôte. Cela minimise la latence et permet des débits agrégés approchant les limites du PCIe Gen5, supportant ainsi des flux simultanés provenant de plusieurs numériseurs.
Les GPU complètent le traitement par FPGA en prenant en charge des tâches calculatoirement intensives mais moins sensibles à la latence, telles que la canalisation, la démodulation et les analyses statistiques à long terme. Par exemple, l’extraction de sous-bandes Galileo individuelles à partir d’une capture large bande en bande L peut réduire les débits de données de centaines de mégaoctets de spectre à quelques gigaoctets par seconde, bien dans les capacités des GPU modernes.
Stratégies de stockage et d’enregistrement haute vitesse
Lorsque des enregistrements de longue durée sont nécessaires, la bande passante de stockage peut devenir un facteur limitant. Les configurations RAID basées sur des SSD NVMe, connectées via des cartes porteuses au format PCIe, permettent des écritures parallèles sur plusieurs disques. Les SSD de grade entreprise maintiennent des vitesses d’écriture soutenues sur de longues périodes, permettant des débits d’enregistrement agrégés de plusieurs dizaines de gigaoctets par seconde et des capacités totales atteignant l’échelle du pétaoctet par baie. Les disques grand public restent adaptés pour des captures plus courtes, mais leur débit se dégrade une fois que leurs caches SLC internes sont saturés.
Pertinence pour la surveillance satellitaire moderne
En combinant la numérisation large bande, le prétraitement par FPGA, l’accélération par GPU et un stockage par bus PCIe évolutif, les systèmes modernes de surveillance satellitaire offrent une base flexible et économique pour le renseignement RF. Cette architecture supporte des exigences évolutives telles que la surveillance multi-bandes, la détection d’interférences en temps réel et la capture de données à grande échelle, ce qui la rend adaptée aussi bien aux réseaux de surveillance opérationnels qu’aux campagnes de mesure orientées recherche.
