Comparaison de STIPEE avec les modèles transionosphériques

Le modèle STIPEE et basé sur la technique PWE-MPS, que l’on peut mener aussi bien en configuration 3D (3D-PWE/2D-MPS) qu’en 2D (2D-PWE/1D-MPS). Les paramètres d’entrée du modèle sont :

- Caractéristiques du milieu : ratios d’anisotropie ›_‰, ›_œ, échelle externe € , indice spectral Ç, variance de densité électronique ¾_∆x# _y, épaisseur Δ‹ et altitude ‹ de la couche ionosphérique

- Caractéristiques de la liaison : angles d’arrivée Œ, Š, et ˆ, fréquence du signal traversant

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Selon la valeur de ces paramètres d’entrée et conformément aux critères numériques, les écrans de phase sont générés. Comme illustré sur les figures 2.2 et 2.6, le signal est propagé via une succession d’écrans de phase, sur une distance correspondant à l’épaisseur de la couche ionosphérique effectivement traversée. Les écrans étant générés aléatoirement, plusieurs réalisations sont nécessaires pour obtenir un résultat moyen réaliste (méthode de Monte-Carlo). Ce modèle permet de traiter les situations de scintillation quelle que soit la latitude de la station réceptrice et quelle que soit l’intensité de la turbulence ionosphérique. Il donne en sortie les variances de log- amplitude et de phase ainsi que les spectres fréquentiels correspondants.

De nombreux modèles de propagation transionosphérique, analytiques ou numériques, existent dans la littérature. On peut citer deux études générales qui donnent une liste des principaux modèles utilisés par les scientifiques du space weather et de la communauté GNSS :

- Guide to reference and standard ionosphere models [American National Standards, 2011] : ce rapport décrit plus de 40 modèles d’ionosphère, les sorties qu’ils proposent (concentration et température électronique, indices de scintillation), la zone géographique et la gamme d’altitudes couvertes (équateur, pôles), les domaines d’application (météorologie, propagation…), mais également les incertitudes et limitations. Cet état des lieux ne fait cependant référence qu’aux seuls modèles américains.

- State-of-the-art review, projet Cigala [Aquino et al., 2010] : cette étude est dédiée plus particulièrement à la comparaison des modèles de propagation transionosphérique. Elle se concentre sur la prédiction des effets des scintillations ionosphériques sur les signaux GNSS, plus précisément dans les régions d’Amérique Latine. Deux grands types de modèles y sont décrits : les modèles de scintillation (analytiques, numériques, empiriques ou semi- empiriques…) et les modèles de tracking, traitant plus précisément de l’effet des

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scintillations sur l’efficacité des boucles à verrouillage de phase (Phase Lock- Loop PLL).

On s’intéresse ici aux modèles basés sur la technique des écrans de phase. GISM et WBMOD, modèles globaux principalement utilisés dans la communauté GNSS, ainsi que SIGMA, modèle dédié particulièrement aux latitudes polaires, sont décrits ici.

GISM, cité en introduction de ce chapitre, est basé sur une implémentation numérique

de type 2D-PWE/1D-MPS [Béniguel, 1999]. Il fournit les indices de scintillation d’amplitude et de phase pour une liaison donnée, ainsi que les spectres de la log- amplitude et de la phase correspondant. Le contenu électronique est renseigné par l’utilisation de NeQuick (cf. partie 1.2.1). La variance de densité électronique est déterminée à partir du TEC en considérant une variation de 10% autour de la moyenne fournie par NeQuick. Ce modèle a été accepté par ITU [ITU-R, 2012]. Les valeurs d’entrée telles que l’indice spectral Ç et l’échelle externe € sont renseignés en dur, à partir de statistiques tirées de mesures expérimentales (cf. figure 1.17 (a)). Le domaine d’utilisation de ce modèle reste limité aux latitudes équatoriales et moyennes [Béniguel et al., 2009].

WBMOD, développé par la NorthWest Research Associates (NWRA), utilise la technique

PWE mais cette fois à travers un écran de phase unique. La description du modèle et ses implémentations pour l’adaptation aux particularités des différentes régions de l’ionosphère (latitudes moyennes et hautes) sont disponibles dans plusieurs rapports [Secan & Fremouw, 1983], [Robins & al., 1986], [Secan & Bussey, 1994]. WBMOD fournit, pour une liaison donnée, les indices de scintillation d’amplitude et de phase correspondant à un certain pourcentage de temps ou le pourcentage de temps pendant lequel un certain niveau de scintillation est dépassé. Il donne également le paramètre •Q€, force de la turbulence intégrée sur la distance € parcourue par le signal à travers la

couche ionosphérique [Secan & Fremouw, 1983]. Ce modèle semi-empirique propose également des valeurs des paramètres du milieu (anisotropie, vitesse de drift, indice spectral) régressées à partir des mesures de scintillation de plusieurs missions spatiales

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[Fremouw & Secan, 1984]. Les expressions des variances de log-amplitude et de phase sont issues des travaux de Rino [1977], [1979 (1)].

SIGMA [Deshpande et al., 2014] est basé sur le constat qu’un écran de phase unique, tel

que proposé par WBMOD, n’est pas adapté à la description des configurations hautes latitudes, du fait que le champ magnétique y est vertical. Ce modèle utilise un schéma numérique 3D-PWE/2D-MPS. Les irrégularités ionosphériques sont décrites par un spectre des fluctuations électroniques hybride qui ne présente qu’un seul axe d’anisotropie, selon la direction du LOS. Les paramètres d’entrée sont caractéristiques du milieu (anisotropie, échelle externe, indice spectral) et de la liaison (fréquence du signal, angles d’arrivée).

Les principales caractéristiques des trois modèles, ainsi que du modèle STIPEE construit pendant cette thèse, sont résumés dans le tableau 2.2.

WBMOD GISM SIGMA STIPEE

Configuration 3D/2D Configuration 2D/1D

Nombre d’axes d’anisotropie 3 axes 1 axe 2 axes 3 axes Adapté basses latitudes

Adapté hautes latitudes Situations de fortes

perturbations

Tableau 2.2 : Comparatif entre 3 modèles PWE/MPS existants et le modèle STIPEE.

L’objet du travail de thèse étant de s’intéresser aux phénomènes hautes latitudes, les modèles STIPEE et SIGMA se démarquent des autres modèles actuels, plutôt dédiés aux latitudes équatoriales, comme illustré sur le tableau 2.2. Par rapport à SIGMA, STIPEE propose une représentation plus complète de l’irrégularité ionosphérique avec deux

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axes d’anisotropie, le premier selon la direction du champ magnétique et le second dans une direction transverse. Le dernier intérêt de ce travail avec STIPEE est que, contrairement aux autres modèles, il va permettre une comparaison entre les approches 3D et 2D. C’est l’objet de la section suivante dans laquelle deux situations particulières sont présentées : tout d’abord un exemple typique des liaisons équatoriales largement décrite dans la littérature, ensuite une situation caractéristique des liaisons hautes latitudes.

2.3.2. _{Comparaison des variances de log-amplitude et de phase aux latitudes}