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Les phénomènes de réflexions spéculaires.

 

Les vols que nous suivions lors des campagnes ODISSEA nous posaient des problèmes de réception TM dont nous nous accommodions plutôt mal que bien. Mais les profondes transformations apportées à tous nos équipements radioélectriques allaient être le prétexte à des actions d'analyse fondamentale et appliquée à la logistique de nos stations de poursuite, stations qui étaient perturbées par des phénomènes de réflexions spéculaires. Grâce à deux vols à défilement et à l'embarquement de deux "manip techno", en bande L, sur des nacelles "autobus", nous allions pouvoir comprendre et assimiler nos problèmes de réception, confirmant ainsi l'intérêt du champ d'actions et d'essais unique qu'avaient offert les vols transméditerranéens à un grand nombre d'expériences scientifiques passées.

La première investigation devait concerner la station de Palma, à l'époque la seule équipée en 400 MHz et en 1.500 MHz (ce qui allait permettre une comparaison objective), et qui offrait, par sa situation, la possibilité de suivre, tout vol, en rapprochement et en éloignement. La seconde allait intervenir sur la base de Trapani où, compte tenu de la topographie du site, les résultats d'analyse allaient corroborer ceux obtenus à Palma.
Les paramètres qui intervenaient pour expliquer la présence ou l'absence d'interférences radioélectriques sur un site donné étaient tout aussi nombreux que variés; les uns concernaient les caractéristiques mécaniques et les performances des matériels à installer, pour les autres il convenait de tenir compte du lieu d'implantation et de son environnement proche, enfin il ne fallait pas oublier le coefficient de réfraction troposphérique, facteur essentiellement variable en fonction du lieu géographique et de la période du jour!

Pour être plus précis, mais sans compliquer l'explication, on pouvait classer

dans les premiers:
- l'angle d'ouverture de l'antenne (et son gain pour l'analyse du bilan de liaison),
- sa hauteur au-dessus du sol,
- la polarisation des ondes émises,

pour les seconds:
- les dégagements et la visibilité,
- le sol et son relief alentour,
- la proximité de zones construites.

Tous ces facteurs interagissaient pleinement entre eux et la solution à nos tourments que nous allions tirer de ces recherches tenait plus du compromis que d'une thérapie bien ciblée, car nous n'étions pas maître de choisir ou de modifier profondément nos implantations et installations lorsque nous envisagions des opérations courantes qui, en plus, étaient hors Métropole.
Les résultats de ces investigations furent surprenants et vinrent balayer nos idées reçues.

Quels étaient alors les explications à retenir et les conseils à appliquer?

Le phénomène de réflexion spéculaire n'existe que pour des incidences rasantes des rayons réfléchis et sur des surfaces caractérisées de lisses ou présentant des irrégularités très petites devant la longueur d'onde (facteur de rugosité ≤ 0.5).

S'il y a réflexion spéculaire,

- la fréquence des interférences augmente avec la hauteur de l'antenne et la fréquence de l'onde, et l'étendue de la plage des impacts au sol devient plus importante.
- l'amplitude des interférences varie avec la nature du sol (absorbant ou réfléchissant) et la polarisation de l'onde.

Tableau rugosité

 

Le tableau (défini pour un facteur de rugosité >0.5 et avec un ballon évoluant à une altitude de38 Km) résume assez bien les conditions qu'il serait souhaitable de rencontrer lors de l'installation d'une station afin de capter les émissions de TM, sur une distance maximale, sans être perturbé par la présence d'interférences.
Pour l'exemple, si la distance de poursuite souhaitée est de 600 Km, il est préférable de travailler en bande L, de ne monter l'antenne qu'à 10 m (s'il n'y a pas d' obstacle majeur direct) et d'être entouré d'un champ céréalier. À 400 MHz, la végétation alentour devra être largement arbustive pour répondre aux mêmes conditions.

Mais il n'est question, ici, que de choisir un site et d'envisager l'endroit où implanter l'antenne; la détermination du bilan de liaison fait l'objet d'une autre approche.

Lorsque le ballon est proche de la station, le phénomène de réflexion spéculaire, qui est toujours présent, n'apporte pas de perturbations, car:

- l'angle de site de l'antenne est élevé et le rayon réfléchi vient la frapper en dehors de son cône d'ouverture et ne profite donc pas du gain apporté par celle-ci; ce dont profite le rayon direct. (pour mémoire, l'antenne parabolique voit un ballon, à une altitude de 38 Km et distant de 500 KM, sous un angle de 2° et de 4.5° si la distance n'est plus que de 350Km)
- le facteur de rugosité, qui est proportionnel au sinus de l'angle d'attaque (φ) du rayon réfléchi, devient important (g >1); la réflexion devient, alors, diffuse.

Trajet des rayons

 

 

Le trajet des rayons direct et réfléchi

 

 


Enfin et pêle-mêle.

Plus un sol est sec, plus il sera favorable à la réflexion spéculaire, les rayons réfléchis sont peu atténués; les évanouissements sont plus profonds que pour un sol humide ou une surface maritime. La polarisation d'une onde verticale est moins sensible aux réflexions spéculaires que celle en polarisation horizontale.

L'information marquante à retenir était celle relative à l'environnement proche (dans un rayon d'environ un kilomètre) du site sur lequel serait implantée l'antenne; cette surface devait être déterminante dans la qualité de la réception TM (hors bilan de liaison).
Une condition non moins importante mais entrant, cette fois, dans le calcul du bilan influencera, aussi, la qualité de la liaison: il s'agit du gain de l'antenne et un paramètre qui lui est très étroitement lié, son angle d'ouverture.

Malgré les effets perturbateurs dus à la présence de réflexions spéculaires, la démodulation, à la station de PALMA, a toujours été correcte grâce à l'exploitation d'une antenne parabolique (27dB et 7.2°). La station à Trapani, n'étant équipée qu'avec deux antennes YAGI couplées (17dB et 17°), ne pouvait assurer une démodulation nominale au-delà de 450 Km. Mais, grâce au recouvrement radioélectrique des stations, Palma avait déjà repris la main assurant ainsi, et confortablement, le suivi du vol.

En conclusion, notre implantation sur l'aéroport de Palma était certainement le plus mauvais endroit; la présence d'une piste dégagée sur plusieurs kilomètres nous était douloureusement défavorable: nous observions près d'une dizaine d'impacts et autant de creux (mais heureusement sans descendre sous le seuil de démodulation) dans la réception de TM pour chacun des vols. Nous aurions, certainement, gagné beaucoup à nous installer dans les plaines maraîchères de Mallorca avec une station mobile.

Graphique des atténuations

 

L'atténuation théorique, portée sur cette courbe, avait été calculée avec un coefficient de réfraction troposphérique variable avec la distance.

Ce graphique était bluffant car il nous montrait une concordance parfaite (jusqu'à la superposition) entre la théorie et la réalité d'un vol (CAG – TM) et ce d'autant plus que notre pythie (VF) nous prédisait, en temps réel et comme à la parade, l'arrivée de chacune des arches.

 

 

Graphique

 

 

 

Lorsque la hauteur de l'antenne augmente on observe que les distances d'impact deviennent plus importantes.