Développement d'un modèle représentant les couverts nuageux leur dynamique et les champs de précipitation associés Application aux études de propagation Terre

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Développement d'un modèle représentant les couverts nuageux, leur dynamique et les champs de précipitation associés – Application aux études de propagation Terre- Espace Nicolas JEANNIN 3ème Année DEMR /RCP Directeur de thèse : Henri Sauvageot (Laboratoire d'Aérologie) Encadrant UPS : Laurent Féral Encadrant ONERA : Joël Lemorton, Laurent Castanet 1- Introduction au problème La demande de débit croissant pour les télécommunications par satellite impose l'utilisation de bandes de fréquences supérieures à 20GHz (bandes Ka et Q/V). Un des problèmes posé par l'utilisation de ces bandes de fréquence est lié à l'influence de l'atmosphère notamment des précipitations et des nuages, sur la propagation des ondes électromagnétiques. Des techniques adaptatives de compensation des affaiblissements de propagation doivent être mises en œuvre afin de pouvoir offrir une disponibilité de service acceptable du point de vue de l'utilisateur. L'optimisation de ces techniques requiert la caractérisation spatio-temporelle précise du canal de propagation, et donc des effets atmosphériques sous-jacents. 2- Objectifs scientifiques Cette thèse se situe à la confluence de deux thèses déjà réalisées à l'ONERA. L'objectif est de coupler la description spatiale des champs d'atténuation due aux précipitations modélisée dans la thèse de L. Féral (2003) avec la modélisation temporelle du canal de propagation décrite dans la thèse de F. Lacoste (2005). La finalité du travail réalisé est la simulation de champs d'atténuation due à la pluie corrélés dans l'espace et dans le temps, statistiquement et climatologiquement réalistes.

  • précipitation

  • modèles de description cellulaire des champs de précipitation

  • radar de martinique

  • atténuations des échos de l'altimètre radar spatioporté

  • techniques adaptatives de compensation des affaiblissements de propagation

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  • modélisation temporelle du canal de propagation

  • performances des algorithmes de gestion de la ressource des systèmes de télécommunication par satellites en bande ka


Publié le : mardi 29 mai 2012
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Développement d’un modèle représentant les couverts
nuageux, leur dynamique et les champs de précipitation
associés – Application aux études de propagation Terre-
Espace
Nicolas JEANNIN
3
ème
Année
DEMR /RCP
Directeur de thèse : Henri Sauvageot (Laboratoire d’Aérologie)
Encadrant UPS : Laurent Féral
Encadrant ONERA : Joël Lemorton, Laurent Castanet
1- Introduction au problème
La demande de débit croissant pour les télécommunications par satellite impose
l’utilisation de bandes de fréquences supérieures à 20GHz (bandes Ka et Q/V). Un des problèmes
posé par l’utilisation de ces bandes de fréquence est lié à l’influence de l’atmosphère notamment
des précipitations et des nuages, sur la propagation des ondes électromagnétiques. Des techniques
adaptatives de compensation des affaiblissements de propagation doivent être mises en oeuvre
afin de pouvoir offrir une disponibilité de service acceptable du point de vue de l’utilisateur.
L’optimisation de ces techniques requiert la caractérisation spatio-temporelle précise du canal de
propagation, et donc des effets atmosphériques sous-jacents.
2- Objectifs scientifiques
Cette thèse se situe à la confluence de deux thèses déjà réalisées à l’ONERA. L’objectif
est de coupler la description spatiale des champs d’atténuation due aux précipitations modélisée
dans la thèse de L. Féral (2003) avec la modélisation temporelle du canal de propagation décrite
dans la thèse de F. Lacoste (2005). La finalité du travail réalisé est la simulation de champs
d’atténuation due à la pluie corrélés dans l’espace et dans le temps, statistiquement et
climatologiquement réalistes.
3- Démarche et déroulement de la thèse
La première année de la thèse a été consacrée à l’extension du domaine de validité
(échelle continentale) des modèles de description cellulaire des champs de précipitation. Une
modélisation des autres composants atténuants de la troposphère (nuages, vapeur d’eau) utilisant
des champs stochastiques a été développée. En particulier, une modélisation de la corrélation
pluie-nuage au sein des champs précipitants a été mise en place et validée à l’aide de données
Météosat. Des validations du modèle ont été menées à partir de données radar européennes et sur
le territoire des Etats-Unis.
Lors de la deuxième année, la validation de la modélisation a été étendue à des zones tropicales
(radar de Martinique) et équatoriale (radar de Dakar). Ensuite, une modélisation des champs de
précipitation reposant également sur une transformation de champs aléatoires gaussiens a été
considérée. Ses principaux avantages par rapport à la méthodologie cellulaire sont l’ajout plus
aisé de la dimension temporelle, une meilleure représentativité de la forme des champs
précipitants et un coût moindre en termes de temps de calcul. Afin de générer des champs
réalistes sur de larges étendues, l’utilisation (comme entrée du modèle de génération de champs
de précipitation) des données de précipitation des modèles de réanalyse météorologique à basse
résolution (vignette du haut de la Figure 1) a été jugée prometteuse. Elle permet en effet de
reproduire des situations climatiques vraisemblables tout en conservant le caractère aléatoire des
simulations. En outre, il est intéressant de pouvoir sélectionner des situations spécifiques
correspondant par exemple aux pires cas de figure.
Figure 1 : Exemple de champ de précipitation simulé
L’évolution temporelle des champs se décompose en deux termes, un terme d’advection (dérivé
des données de réanalyse) et une évolution propre effectuée suivant un processus de Markov dans
le spectre du champ aléatoire. La résolution temporelle des champs d’atténuation sera ensuite
améliorée jusqu’à l’échelle de la seconde grâce à une technique d’interpolation stochastique du
canal similaire à celle développée dans la thèse de F. Lacoste.
4- Applications industrielles
Le modèle de génération de champs d’atténuation spatio-temporels est en passe d’être utilisé par
le CNES pour tester les performances des algorithmes de gestion de la ressource des systèmes de
télécommunication par satellites en bande Ka à partir de conditions de propagation réalistes.
Il permettra également d’évaluer les déformations de la forme d’onde et les atténuations des
échos de l’altimètre radar spatioporté Alti-Ka. Des études sur la disponibilité des mesures
altimétriques pourraient également être menées lors de la troisième année de la thèse.
5- Perspectives pour la troisième année de thèse
Les perspectives pour la troisième année de thèse sont les suivantes :
-
Extension de la modélisation aux faibles précipitations et aux nuages non-précipitants,
-
Amélioration de la corrélation pluie-nuages,
-
Soumission de deux nouveaux articles dans des revues à comité de lecture et
formalisation du manuscrit de thèse (thèse sur articles).
6- Communications
Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet , J. Lemorton (2007) : Statistical
distribution of the fraction of an area affected by rain above a given threshold, soumis à
Journal of Geophysical Research
en Décembre 2007.
Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet , J. Lemorton (2007) : Statistical
distribution of integrated liquid water and water vapor content from meteorological
reanalysis, version révisée envoyée à IEEE Transactions on Antennas and Propagation en
Novembre 2007.
Participation à la rédaction d’un chapitre du livre : Castanet L. (editor) et al. : “Influence of the
variability of the propagation channel on mobile, fixed multimedia and optical satellite
communications”, SatNEx JA-2310 Book, Shaker, 2007, http//www.satnex.org.
Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet, J. Lemorton, F. Lacoste: Stochastic Spatio-
Temporal Modelling of Rain Attenuation for Propagation Studies, in
European Conference on
Antennas and Propagation 2007
, Edinburgh, UK, Nov 2007.
Testoni A., Bousquet M., Feral L., Jeannin N., Castanet L. : “Testing analysis of prediction
methods of Site Diversity at Ku and Ka-bands”, 25
th
AIAA-ICSSC, Seoul, Korea, 10-13
April 2007.
France (A. Testoni, L. Castanet, N. Jeannin, L. Feral, M. Bousquet), Italy (C. Riva, A. Paraboni),
ESA (A. Martellucci), Canada (D. Rogers) : “Testing analysis of site diversity prediction
methods for Earth-space paths at Ku and Ka bands”, input document 3M/213, 11 April 2007.
Î
révision de la recommandation ITU-R P.837.
France (G. Blarzino, N. Jeannin, L. Castanet), Italy (D. Ferraro, L. Luini, C. Capsoni), ESA (A.
Martellucci) : “Discussion document about Recommendation ITU-R P.837-4”, input document
3J/185-3M/217, 11 April 2007.
Î
révision de la recommandation ITU-R P.618.
Jeannin N, L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet, J. Lemorton, K. Leconte and F. Lacoste:
Modelling of rain fields and attenuation fields spatially correlated over Europe and USA, in
Proceedings 3rd CNES Workshop on Earth - Space Propagation
, (CNES, ed.), Toulouse, France,
Sep. 2006.
Jeannin N., L. Féral, H. Sauvageot, L. Castanet, J. Lemorton, F. Lacoste and K. Leconte:
Modeling of rain fields at large scale, in
International Workshop on Satellite and Space
Communications (IWSSC) 2006
, Madrid, Spain, Sep. 2006.
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