ASTRID - Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense

Propagation Électromagnétique en Configuration Urbaine par des Méthodes Innovantes Assymptotiques – PECUMIA

PECUMIA

Propagation Electromagnétique en Configuration Urbaine par des Méthodes Innovantes Asymptotiques

Les zones urbanisées : une zone d’enjeux majeurs liés à la maîtrise de la propagation électromagnétique

En 1950, 30 % des humains étaient localisés en zone urbaine. L’ONU et la Banque Mondiale notent qu’en 2007, pour la première fois dans l’histoire de l’humanité, la population urbaine a dépassé en nombre la population des campagnes. Et ce même ratio devrait atteindre 60 % à l’horizon 2030. <br />Le cadre des villes devient donc une configuration majeure, que ce soit pour des applications civiles, duales ou militaires. Cette évolution doit évidemment être prise en compte par la communauté scientifique, quelle que soit sa spécialité. <br />Ainsi, le consortium à l’initiative de cette proposition, composé principalement d’ingénieurs et de chercheurs en électromagnétisme, propose dans le cadre de ce projet de mettre au point de nouvelles formulations et de nouveaux algorithmes pour la simulation de la propagation EM en zone urbaine ou semi-urbaine. En effet, ces configurations sont classiquement traitées par des techniques de lancer de rayons, mais elle présente toutefois des inconvénients qui peuvent s’avérer non négligeables (i.e. explosion du nombre de rayons et donc du temps de calcul lorsque le nombre d’éléments dans la scène augmente, présence de caustiques, validité en champ lointain uniquement…). Les méthodes alternatives proposées permettraient de pallier les inconvénients précédents et permettraient d’acquérir de nouvelles connaissances en vue de mettre au point de nouveaux produits.

Plusieurs méthodes existent pour modéliser la propagation électromagnétique. Celles-ci sont classiquement classées en deux catégories : les méthodes « rigoureuses » et les méthodes asymptotiques.
Les méthodes « rigoureuses » requièrent un encombrement mémoire et un temps de calcul importants. Elles sont limitées à des scènes de dimensions restreintes et par conséquent mal adaptées aux configurations urbaines et semi-urbaines.
Les méthodes asymptotiques constituent une alternative à l’utilisation des méthodes « rigoureuses ».
Nous avons choisi de nous focaliser sur les méthodes de l’Equation Parabolique 3D et du Lancer de Faisceaux Gaussiens.

Après un état de l’art focalisé sur les méthodes envisagées et les configurations urbaines et semi-urbaines, nous prévoyons de synchroniser les phases de développement (i.e. implémentation, validation et comparaison) de ces méthodes. Les cas tests de comparaison et de validation seront communs et seront réalisés simultanément par les deux méthodes.
Ensuite, les deux méthodes seront appliquées pour modéliser la propagation électromagnétique sur des « configurations d’intérêt ».
Après avoir effectué le bilan comparatif des méthodes, nous proposerons une stratégie d’hybridation de celles-ci qui permettrait d’aboutir à un modèle « optimal » tirant profit des points forts de chacune.

A T0+6 mois, le projet s’est principalement focalisé sur la réalisation de la tâche 1 « état de l’art et définition des configurations d’intérêt ». Celle-ci a permis de faire l’état de l’art de la modélisation électromagnétique en configuration urbaine et semi-urbaine, ainsi que définir les configurations d’intérêt.

L’état de l’art a d’une part été focalisé sur les méthodes de l’Equation Parabolique et du Lancer de Faisceaux Gaussiens, et d’autre part sur les configurations urbaines et semi-urbaines. Il a permis de mettre en avant les orientations actuelles dans les développements de ces méthodes, et de leurs applications aux configurations urbaines et semi-urbaines.

Les configurations d’intérêt ont également été définies. Elles ont pour but de prouver que les méthodes de l’EP3D et du LFG ont la capacité à rendre compte des phénomènes de propagation radio dans des applications duales et pour des configurations urbaines ou semi-urbaines. Il s’agit de montrer que les outils associés à ces méthodes peuvent d’une part aider à l’analyse de scènes électromagnétiques, et d’autre part produire des résultats en quantité suffisante pour l’optimisation lors d’une installation d’un matériel (e.g. station de base ou radar).
L’intérêt est opérationnel et au final se porte sur la différence entre performance à prévoir et performance théorique en fonction de la scène où opèrent les matériels. Il s’agira d’apprécier l’affaiblissement d’une liaison station de base vers un équipement utilisateur mobile dans le domaine du téléphone ou d’un accès en large bande, ou de maîtriser la perte de détection d’une cible dans les domaines radar civil, militaire ou sécurité des sites.
Pour cela, on se doit de quantifier le masquage et les réflexions multiples. Les configurations d’intérêt sont basées sur les éléments suivants : obstacle vertical proche à l’émission ou à la réception, effet d’une réflexion latérale sur un bâtiment et effet du relief à grande échelle.

La première perspective envisageable pourra être le développement de l’activité des partenaires vers les applications identifiées. Le projet pourra également être suivi par la mise en application de la stratégie d’hybridation proposée.
Outre les configurations urbaine et semi-urbaine, l’analyse de configurations de propagation indoor ou à travers un mur pourrait être aussi pertinente. La modélisation dans ces configurations pourrait être résolue par l’hybridation entre les méthodes.

A ce stade du projet, aucune publication n’a été rédigée ni aucun brevet n’a été déposé.

L’étude "Propagation Électromagnétique en Configuration Urbaine par des Méthodes Innovantes Asymptotiques" (PECUMIA) a pour principal objectif de rendre possible la simulation de la propagation ÉlectroMagnétique (EM) en configuration urbaine (i.e. l'émission se fait en direction d'un ensemble dense d'immeubles) ou semi-urbaine (i.e. un nombre restreint d'obstacles perturbe le faisceau de l'émission) par les méthodes de l’Équation Parabolique tridimensionnelle (EP3D) et du Lancer de Faisceaux Gaussiens (LFG). En effet, l’urbanisation grandissante fait que ces configurations sont et resteront dignes d’intérêt pour la communauté scientifique et pour tous les acteurs de la thématique. Par ailleurs, les méthodes proposées, intermédiaires entre méthodes "rigoureuses" et méthodes de rayons, ont démontré leur validité et leur efficacité dans d'autres contextes.

Les travaux proposés pour atteindre cet objectif sont organisés autour des trois phases suivantes :
- la résolution des problèmes posés par la simulation de la propagation EM en configuration urbaine ou semi-urbaine par les méthodes de l’EP3D et du LFG, et la comparaison entre méthodes ;
- la preuve du concept par la réalisation de simulations dans des "configurations d'intérêt" ;
- la proposition d'une stratégie d'hybridation.

La première phase du projet consistera à mettre au point de nouvelles formulations et de nouveaux algorithmes, à les programmer et finalement à les valider par comparaison avec des résultats de référence. Des cas tests communs seront définis pour permettre une comparaison entre les deux méthodes. Nous serons alors en mesure de réaliser un bilan comparatif des méthodes développées, par rapport aux problèmes spécifiques posés par la propagation en configuration urbaine ou semi-urbaine.
Les méthodes ainsi validées seront utilisées dans la deuxième phase du projet pour tenter d'apporter la preuve que la modélisation de la propagation EM en configuration urbaine ou semi-urbaine peut se faire efficacement à l’aide des méthodes innovantes développées dans le projet (preuve du concept). C'est le principal résultat attendu de ce projet ASTRID.
La troisième et dernière phase du projet s'appuiera sur les résultats des phases précédentes (bilan comparatif, preuve du concept) pour analyser l'intérêt et la faisabilité d'une hybridation de méthodes, et proposer une stratégie en ce sens, qui permettrait de tirer parti des points forts de chaque méthode et de dépasser leurs limites respectives.

À notre connaissance, un tel projet proposant l’adaptation des méthodes de l’EP3D et du LFG pour la simulation de la propagation EM en configuration urbaine ou semi-urbaine n’a jamais été réalisé.

Les résultats de ce projet seront valorisés, d’une part, par la rédaction d’articles scientifiques, la présentation dans des conférences spécialisées ou des séminaires, d’autre part, par l’exploitation des diverses retombées (scientifiques, économiques…) en relation avec les applications duales identifiées.

Coordinateur du projet

NOVELTIS (PME)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

TELECOM SUDPARIS
NOVELTIS
THALES AIR SYSTEMS

Aide de l'ANR 296 411 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 30 Mois

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