Postdoctorat en Surveillance Haute Elevation par Radar PAssif -

Contexte du projet

Avec le développement rapide des technologies aérospatiales, la très haute altitude (THA) fait

l’objet d’une compétition accrue, à la fois pour ses atouts opérationnels et pour les défis qu’elle pose en matière de souveraineté. Désignant la bande d’atmosphère comprise entre 20 et 100 kilomètres d’altitude, la THA marque la transition du milieu aérien traditionnel vers l’espace extra-atmosphérique. Deux principaux types d’objets ont vocation à y manœuvrer : les High Altitude Permanent Systems dits HAPS, adaptés aux missions de renseignement ou de télécommunication (ballons stratosphériques, dirigeables statiques) ; les objets hypervéloces, destinés à atteindre des cibles en profondeur (missiles balistiques ou de croisière, planeurs).

 Dans ce contexte, l’objectif du projet Surveillance Haute Elevation par Radar PAssif (SHERPA) financé par l’Agence Innovation Défense (AID) est d’apporter une contribution méthodologique et une contribution expérimentale à l’étude et au développement d’un système de détection et de suivi pour un radar passif multistatique dédié à la surveillance de l’espace atmosphérique et exo-atmosphérique en utilisant des signaux GNSS. Il s’agit d’évaluer la possibilité de déploiement de systèmes embarqués sur ballons stratosphériques, utilisant les signaux GNSS comme source d’opportunité. Les méthodes d’estimation et de détection étudiées seront multi-récepteurs, multifréquences et multiconstellations. De plus, afin de réaliser la poursuite d’objets au cours du temps, il sera nécessaire d’avoir une position précise des récepteurs, robuste aux interférences. En complément de l’étude théorique, il s’agit également de travailler sur une étude de mise en œuvre de ce type de radar, au travers l’enregistrement de données I&Q sur un réseau de récepteurs GNSS (au minimum deux), données exploitées en post-traitement sous Matlab par les méthodes développées lors de l’étude.

With the rapid development of aerospace technologies, very high altitude (VHA) has become a growing focus of competition, both for its operational advantages and the sovereignty challenges it presents. Defining the atmospheric layer between 20 and 100 kilometers in altitude, VHA marks the transition from the traditional air environment to extra-atmospheric space. Two main types of objects are expected to operate in this region: High Altitude Permanent Systems (HAPS), suited for intelligence or telecommunications missions (stratospheric balloons, static airships); and hypersonic objects, designed to reach deep targets (ballistic or cruise missiles, gliders).

In this context, the goal of the SHERPA (Surveillance Haute Elevation par Radar PAssif) project, funded by the French Defense Innovation Agency (AID), is to provide methodological and experimental contributions to the study and development of a detection and tracking system for a multistatic passive radar dedicated to monitoring atmospheric and exo-atmospheric space using GNSS signals. The aim is to evaluate the feasibility of deploying systems embedded on stratospheric balloons, using GNSS signals as signals of opportunity. The estimation and detection methods studied will be multi-receiver, multi-frequency, and multi-constellation. Additionally, to track objects over time, precise and interference-robust receiver positioning will be required. In addition to the theoretical study, the project also involves implementing a feasibility study for this type of radar, including recording I&Q data on a network of GNSS receivers (at least two), with data processed offline in MATLAB using the methods developed during the study.

Missions

Le post-doctorant retenu travaillera sur la première phase théorique du projet.

• L’objectif est de travailler sur un premier verrou scientifique lié au bilan de puissance du signal, c’est à dire à la puissance du signal utile disponible à la réception, élément essentiel pour l’évaluation de la viabilité d’un tel système [1]. Sur cet axe, il conviendra de travailler sur une modélisation et une simulation du problème dans un contexte multirécepteur, multifréquence et multiconstellation.

• Le second objectif consistera à développer une méthode de traitement du signal adapté au modèle de signal, au modèle de récepteur et à la dynamique du système [2, 3, 4].

• Un dernier verrou scientifique concerne la prise en compte de l’effet de la forte dynamique de l’émetteur et des cibles hypervéloces sur le signal, la gestion du Doppler n’étant pas standard dans les ordres de grandeur attendus. De plus, l’angle de réflexion/diffraction du signal va changer relativement aux cinématiques de l’émetteur, de la cible et des récepteurs. Ainsi, la nature de la réflexion/diffraction va varier au cours du temps, sans hypothèse a priori sur la loi de fluctuation de ces cibles. Il faudra donc évaluer des bornes de performances associées à cette modélisation et utiliser des estimateurs adaptés [5]. Une attention particulière sera portée sur la gestion des faibles Doppler à fort angle de bistatisme.

Les travaux de recherche devront être valorisés par des publications dans des revues scientifiques et des participations à des colloques ou des séminaires nationaux et internationaux.

Le candidat travaillera sur la base aérienne de Salon-de-Provence, dans les locaux du Centre de recherche de l’école de l’air et de l’espace (CREA). Des déplacements sont à prévoir à l’ISAE-SUPAERO à Toulouse.

Il collaborera avec les chercheurs impliqués dans le projet AID SHERPA, soit Cyril Cano, Agnès Santori et Émile Ghizzo au CREA et Éric Chaumette et Gaël Pages à l’ISAE-SUPAERO.

Le Centre de Recherche de l’École de l’Air et de l’Espace (CREA) a une expertise en système de radar passif, que ce soit au sol ou en aéroporté. Le centre de recherche est intégré dans la communauté européenne défense du domaine du radar passif au travers de groupes OTAN et de participation à des workshops et conférences du domaine. Jusqu’à maintenant, l’expertise du centre de recherche se concentrait sur les aspects télécommunication (pour les signaux d’opportunité) et expérimentation. Depuis peu, l’objectif est de développer une expertise en méthodes théoriques d’analyse et de détection ainsi que dans le domaine de la THA.

L’équipe NAVIR2 eS de l’ISAE-SUPAERO s’intéresse à l’étude théorique des sources d’information ainsi qu’aux approches d’hybridation dans le cadre d’application de navigation autonome de véhicules. L’équipe a une expertise en analyse de performances d’estimation et de détection dans le cadre du radar ainsi qu’en détection et analyse de signaux GNSS, notamment en réflectométrie (GNSS-R). L’équipe a actuellement un projet École AID 2024/2027 intitulé “surveillance spatiale par réflectométrie GNSS” dont les retombées et les éléments de démonstration alimenteront le projet SHERPA.

Objective

The selected post-doctoral researcher will work on the first theoretical phase of the project.

• The first objective is to address a scientific challenge related to the signal power budget, i.e., the power of the useful signal available at reception, a critical element for assessing the viability of such a system [1]. This will involve modeling and simulating the problem in a multi-receiver, multifrequency, and multi-constellation context.

• The second objective will be to develop a signal processing method tailored to the signal model, receiver model, and system dynamics [2, 3, 4].

• A final scientific challenge concerns accounting for the high dynamics of the transmitter and hypersonic targets on the signal, as Doppler management is non-standard at the expected magnitudes. Furthermore, the signal’s reflection/diffraction angle will change relative to the kinematics of the transmitter, target, and receivers. Thus, the nature of the reflection/diffraction will vary over time, without any prior assumption about the fluctuation law of these targets. Therefore, it will be necessary to evaluate associated performance bounds for this modeling and use adapted estimators [5]. Special attention will be given to managing low Doppler shifts at high bistatic angles.

The candidate will work at the Salon-de-Provence Air Base, in the facilities of the Research Center of the Air and Space School (CREA). Travel to ISAE-SUPAERO in Toulouse is expected.

He will collaborate with the researchers involved in the AID SHERPA project: Cyril Cano (cyril.cano@ecole-air.fr), Agn`es Santori, and ´Emile Ghizzo at CREA, and ´Eric Chaumettes and Gaël Pages at ISAE-SUPAERO.

The Research Center of the Air and Space School (CREA) has expertise in passive radar systems, both ground-based and airborne. The research center is integrated into the European defense community in the field of passive radar through NATO groups and participation in workshops and conferences in the field. Until now, the research center’s expertise has focused on telecommunications (for signals of opportunity) and experimentation. Recently, the goal has been to develop expertise in theoretical methods of analysis and detection, as well as in the field of VHA.

The NAVIR2eS team at ISAE-SUPAERO focuses on the theoretical study of information sources and hybridization approaches for autonomous vehicle navigation applications. The team has expertise in performance analysis of estimation and detection in radar, as well as in GNSS signal detection and analysis, particularly in reflectometry (GNSS-R). The team currently has an AID School project (2024/2027) titled Space surveillance using GNSS reflectometry,” whose outcomes and demonstration elements will support the SHERPA project.

Références

 [1] Adriano Rosario Persico, Paul Kirkland, Carmine Clemente, John J. Soraghan, and Massimiliano Vasile. Cubesat-based passive bistatic radar for space situational awareness : A feasibility study. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 55(1) :476–485, 2019.

[2] Diego Cristallini and Daniel W. O’Hagan. Passive Radars on Moving Platforms. The Institution of Engineering and Technology, 2023.

[3] Fabrizio Santi, Federica Pieralice, and Debora Pastina. Joint detection and localization of vessels at sea with a gnss-based multistatic radar. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 57(8) :5894–5913, 2019.

[4] Fabrizio Santi, Debora Pastina, and Marta Bucciarelli. Experimental demonstration of ship target detection in gnss-based passive radar combining target motion compensation and track-before-detect strategies. Sensors, 20(3), 2020.

[5] Hamish McPhee, Lorenzo Ortega, Jordi Vilà-Valls, and Eric Chaumette. Accounting for acceleration—signal parameters estimation performance limits in high dynamics applications. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 59(1) :610–622, 2023.