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Foucault, Etienne. IONO-HF : propagation des ondes hautes fréquences dans l'ionosphère

Foucault, Etienne (2020). IONO-HF : propagation des ondes hautes fréquences dans l'ionosphère.

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Résumé en francais

L'étude de la propagation des ondes électromagnétiques en bandes hautes (HF) et très hautes fréquences (VHF) dans l'ionosphère gagne en intérêt avec l'essor des technologies de communication et de positionnement par satellites. Cependant, la transmission des signaux associés est dépendante du milieu qu'ils traversent : l'ionosphère. Cette partie de l'atmosphère terrestre (entre 60 et 2,000 km d'altitude) est composée d'un plasma partiellement ionisé, formé par la photo-dissociation des composants neutres par le rayonnement solaire X et UV et impacte la propagation des ondes radios du fait de son pouvoir réfractant. Ma thèse a consisté à développer un code de tracé de rayons capable de résoudre les trajectoires des ondes radios HF et VHF dans une ionosphère réaliste. Pour cela, j'ai développé un système d'équations permettant de résoudre la trajectoire d'une onde à partir du principe de Fermat ainsi que divers paramètres associés aux ondes et au milieu traversé (temps de propagation, indice de réfraction, absorption, le contenu total d'électrons TEC). Un modèle de champ magnétique dipolaire tilté est également implémenté et permet de résoudre les modes de propagation ordinaire et extraordinaire. Dans une première application, j'ai utilisé ce code de tracé de rayons pour simuler un radar trans-horizon à haute latitude, de type SuperDARN. Dans un premier temps, j'ai étudié la propagation des ondes dans des profils d'ionosphère synthétiques présentant différents types de gradients. J'ai montré qu'une ionosphère présentant une région E développée contraint les régions possibles d'échos à basse altitude et absorbe modérément à fortement les ondes en fonction de la distance parcourue. Lorsque la région E est peu développée, les ondes se propagent vers des altitudes supérieures et forment des régions d'échos avec une large extension en altitude. L'absorption des ondes est également plus faible. L'introduction de gradient horizontaux a montré que les formes des régions d'échos ne changeaient pas fondamentalement mais entrainent un déplacement en distance par rapport au radar de ces régions. Dans un second temps, j'ai utilisé les résultats de cette étude préliminaire pour analyser la propagation modélisée dans un profil d'ionosphère réaliste. Dans une seconde application, j'ai étudié les modes de propagation ordinaire et extraordinaire, dans en premier temps en modélisant le mode de fonctionnement d'une ionosonde. Cet instrument permet d'estimer le profil local de la densité électronique jusqu'au pic de région F. Les simulations effectuées avec le tracé de rayons ont permis de reproduire les différences de propagation (temps de propagation, altitude des échos) entre ces modes de propagation dans le cas d'une propagation parallèle au champ magnétique. L'étude des modes de propagation O et X dans le cas d'une propagation de type SuperDARN a montré des différences négligeables par rapport aux résultats de la première application. Ce résultat nous a permis de valider l'hypothèse faite par la communauté SuperDARN de négliger l'influence du champ magnétique sur la propagation. Dans le cas du radar de Stokkseyri, j'ai montré que, du fait de son orientation perpendiculaire au champ magnétique, les modes de propagation ordinaire et extraordinaire sont peu différents du mode sans champ magnétique. Finalement, j'ai mené une étude de l'impact de l'ionosphère équatoriale sur le positionnement par satellite dans le cadre d'une réponse à appel d'offre pour Thales Alenia Space. Une étude préliminaire a permis d'identifier les principaux processus propres à l'ionosphère équatoriale susceptibles de perturber la propagation des signaux. Puis, à l'aide de l'analyse d'une base de données collectées par des stations africaines équatoriales, j'ai quantifié leurs variabilités et leurs effets sur la propagation des signaux GNSS.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Blelly, Pierre-Louis
Marchaudon, Aurélie
Ecole doctorale:Sciences de l'Univers, de l'environnement et de l'espace (SDU2E)
laboratoire/Unité de recherche :Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), UMR 5277
Mots-clés libres :Ionosphère - Propagation - HF - Tracé de rayons - Modélisation
Sujets :Sciences de l'univers
Déposé le :09 Oct 2020 13:31