2014-042 Fiabilisation des transmissions optiques satellite

2014-042 Fiabilisation des
transmissions optiques satellite-
sol
Nom & Prénom VEDRENNE NICOLAS
Organisme ONERA
Adresse Châtillon
Code postal 92322
Ville 29,avenue de la division Leclerc
Adresse mail [email protected]
Email du Directeur du Laboratoire:
[email protected]
Descriptif du sujet:
Les moyens satellitaires embarqués connaissent un développement important. Pour assurer des
communications à très-haut débit entre satellite et sol, les longueurs d’onde optiques sont envisagées:
elles permettent de pallier l’engorgement de la bande radio-fréquence, elles sont sécurisées et des débits
de plusieurs dizaines de Giga octets par seconde sont théoriquement envisageables sous réserve de
pouvoir valoriser les technologies des télécommunications fibrées.
Dans la pratique les perturbations du canal de propagation, au premier rang desquelles la turbulence
atmosphérique [Toyoshima - 12], limitent les débits effectifs.
A la traversée de l’atmosphère l’onde optique rencontre des fluctuations de l’indice de réfraction qui
déforment la surface d’onde. Deux phénomènes apparaissent:
1 Des variations spatiales et temporelles de l’amplitude de l’onde induites par la
propagation des déformations de phase appelées scintillation. Ces variations entraînent une
fluctuation du signal reçu par le système récepteur.
2 Une déformation de la phase de l’onde (perte de cohérence du faisceau) qui se traduit au
foyer du récepteur par un étalement et un basculement de la tâche focale responsable de pertes
d'injections lors du couplage du flux reçu dans une fibre monomode.
Pour limiter l’influence du canal de propagation, des codes correcteurs d’erreur peuvent être utilisés.
Pour cela ils doivent être adaptés aux caractéristiques des perturbations.
Pour gérer la scintillation, des systèmes de codage basés sur des codes correcteurs d’erreurs de type
LDPC [Kadoike - 09] ou sur des codes correcteurs d’erreurs et d’effacements de type Reed-Solomon-
LDGM sont envisagés [Takenaka – 12].
Concernant les pertes par injection dans une fibre, une correction dynamique des perturbations de phase
par optique adaptative (OA) pourrait significativement limiter l'effet de la turbulence. Dans le cas d'une
bonne correction il existe des approches analytiques pour évaluer les premiers moments du flux couplé
dans une fibre optique mono-mode [Shacklan - 88, Ruilier - 02, Fusco - 04]. En revanche les modèles
font défaut notamment pour l'évaluation des caractéristiques statistiques (loi de probabilité) et
temporelles (spectre temporel, temps de corrélation). L'influence des bruits de mesure de surface d'onde
sur la qualité de correction, au premier plan desquels celles de la scintillation, doit également être
étudiée pour ce type d'application, où des lignes de visées très basses (inférieures à 20°) sont
recherchées. Enfin, les codes correcteurs les mieux adaptés restent à identifier et à tester.

Dans le but de consolider les bilans de performances d’une liaison optique satellite –sol le CNES en
collaboration avec l’ONERA, l’Observatoire de la Côte D’Azur (OCA) et des industriels mènera entre 2014
et 2015 une expérience de liaison optique satellite sol. Lors de cette expérience, le flux émis par un
satellite japonais (SOCRATES) doit être collecté par une station sol avec une architecture récepteur de
type mono-détecteur. Le cas d’une correction par OA pourra éventuellement être envisagé.
Le flux reçu du satellite SOCRATES présentera plusieurs cas de codage [Takenaka – 12]:
- un cas sans codage,
- un cas de codage type Reed-Solomon,
- un codage de type Low Density Generator Matrix.
La problématique scientifique de cette thèse est de comprendre en quoi les perturbations du canal
causées par la turbulence atmosphérique affectent les performances d'une liaison satellite – sol et de
proposer des approches correctives adaptées à l’architecture récepteur pour les améliorer. Ces approches
pourront s’appuyer sur un codage dédié, sur une correction dynamique de l’onde par optique adaptative
par exemple, ou sur des approches hybrides en fonction des architectures de récepteur envisagées. Les
résultats obtenus seront comparés aux résultats de l’expérience de lien optique avec SOCRATES.
Pour modéliser les effets de la turbulence sur le canal de propagation, l’ONERA en collaboration avec le
CNES a développé un outil de modélisation des effets de la propagation (code TURANDOT :TUrbulence
simulatoR for spAce-grouND Optical Telecommunication) [Vedrenne – 12].
Cet outil, associé aux outils de codage développés par l’ISAE sera utilisé en début de thèse pour étudier
l’impact de différents codages sur le signal perturbé par la turbulence dans le cas d’une architecture
récepteur à mono-détecteur, c'est-à-dire en négligeant les pertes de couplage et en ne considérant que
l'influence de la scintillation, tel que ce sera le cas pour l’expérience SOCRATES. Le cas d’une
architecture fibrée sans optique adaptative pourra également être considéré.
L'apport de codes type Reed - Solomon et LDGM pourra être traité pour comparaison au cas de
l'expérience avec SOCRATES.
En fonction du degré d'avancement de l'expérience avec SOCRATES, le doctorant participera à une ou
plusieurs campagnes d'acquisition sur SOCRATES, de façon à disposer d’une vision globale des conditions
expérimentales et d’une bonne compréhension des phénomènes physiques prépondérants. Il dépouillera
et interprétera les données acquises pendant l’expérience à la lueur des travaux menés en première
partie de thèse dans le but de comprendre l'influence des caractéristiques du système (précision du
pointage, conditions de turbulence,...) sur les performances de la liaison.
Pour modéliser les effets d'une correction par OA sur les caractéristiques temporelles du signal, l'ONERA
a développé le code AOST (Adaptive Optics Simulation Tool) [Vedrenne – 13]. Ce code pourra être
exploité par le doctorant pour étudier la complémentarité d'une correction par OA et d'un codage adapté
dans le cas d'une architecture récepteur fibré. Les limites de la correction par OA en terme de bruits de
mesure et leurs conséquences sur la stratégie de codage seront investiguées. L’apport d’une commande
prédictive type filtrage de Kalman pourra également être considéré. Des approches de codage
innovantes, s'appuyant sur les travaux menés en première partie de thèse pourront être testées.
L’apport de techniques de type codage réseau telles que le système TETRYS [Lacan - 08, Tournoux - 11]
pourra également être considéré en fonction des résultats obtenus.
[Toyoshima - 12] M. Toyoshima et al., Results of Kirari optical communication demonstration
experiments with NICT optical ground station (KODEN) aiming for future classical and quantum
communications in space, Acta Astronautica, Volume 74, May–June 2012, Pages 40-49, (2012).
[Zhu – 02] Xiaoming Zhu; Kahn, J.M., Free-space optical communication through atmospheric turbulence
channels, IEEE Transactions on Communications, vol.50, no.8, pp.1293,1300, (2002).
[Kadoike - 09] Y. Kadoike et al., LDPC code design for OICETS experiments in 2008, International
Conference on Space Optical Systems and Applications 2009 (ICSOS2009), ICSOS2009-41, (2009).

[Takenaka – 12] H. Takenaka et al., Study on Error Coding Program for Implementation in SOTA,
International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2012, France, October 9-
12 (2012).
[Shaklan – 88] S. Shaklan and F. Roddier, Coupling starlight into single-mode fiber optics, JOSAA, 1988.
[Ruilier - 01] C. Ruilier and F. Cassaing, Coupling of large telescopes and single-mode waveguides:
application to stellar interferometry, JOSAA, 2001.
[Fusco – 04] T. Fusco and J.-M. Conan, On- and off-axis statistical behavior of adaptive-optics-corrected
short-exposure Strehl ratio, J. Opt. Soc. Am. A 21, 1277-1289 (2004).
[Vedrenne – 12] N. Védrenne et al., Turbulence effects on bi-directional ground-to-satellite laser
communication systems, Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS) 2012, France,
October 9-12 (2012).
[Vedrenne – 13] N. Védrenne et al., Optique adaptative pour les liaisons télécoms satellite – sol, 6 ièmes
Journées Recherche et Industrie de l'Optique Adaptative, Villetaneuse, (2013).
[Lacan - 08] J. Lacan et E. Lochin, Rethinking Reliability for Long-Delay Networks, In Proc. of IWSSC,
(2008).
[Tournoux - 11] P. U. Tournoux, E. Lochin, J. Lacan, A. Bouabdallah et V. Roca,On-the-Fly Coding for
Time-Constrained Applications, IEEE Transactions on Multimedia, vol. 13 (n° 4). pp. 797-812, (2011).
Laboratoire d'accueil envisagé:
ISAE et TeSA
Profil du candidat (veuillez préciser la spécialité du Master):
Master ou école d'ingénieur traitement du signal, Télécoms, Optique, Physique
Responsable CNES - Nom:
ARTAUD Géraldine
Responsable CNES - Structure: DCT/RF/ITP
Mail responsable thèse: ger[email protected]