Ionospheric tomography by Over-The-Horizon radar

Corinna Roy

Résumé

Although the ionosphere represents less than 1% of the mass of the atmosphere above 100km, its importance results from its influence on high frequency (HF) electromagnetic (EM) waves. All satellite signals that pass through the ionosphere (telecommunications, altimetry, radar, GNSS, etc.) are affected by its presence. Therefore, the exact knowledge of the structure of the ionosphere remains an important subject in Science and for military applications. The fine understanding of the ionosphere plays a key role in understanding processes such as, for example, the spatial and temporal evolution of plasma and in exploring the propagation of waves such as planetary waves, tides and traveling ionospheric disturbances (TIDs), and their influence in the measurements of scientific, telecommunication, or service satellites. In the defense domain where targets detected by radar must be precisely located, the effect of the ionosphere on the measurements must be known. For high accuracy (centimeter to millimeter) and real-time applications, correcting these errors is a major challenge. Reducing the effects of the ionosphere will allow to improve the accuracy for various applications: satellite navigation, orbitography, satellite altimetry, telecommunications... Nevertheless, the effects of the ionosphere, if not corrected, can reduce the accuracy of positioning, velocity estimation, and various information estimated over time, which are computed from the received signals. Positioning errors can range from a few meters to several tens of meters. Accuracy in Global Positioning System (GPS) positioning and navigation is profoundly affected by the ionosphere, as signals emitted by satellites are modified on their way through its plasma density. The delay caused by the ionosphere has become the greatest source of error in GPS positioning and navigation.

Bien que l’ionosphère représente moins de 1% de la masse de l’atmosphère au-dessus de 100km, son importance résulte de son influence sur les ondes électromagné- tiques (EM) à haute fréquence (HF). Tous les signaux des satellites qui traversent l’ionosphère (télécommunications, altimétrie, radar, GNSS, etc.) sont affectés par sa présence. Par conséquent, la connaissance exacte de la structure de l’ionosphère reste un sujet important en Science et pour les applications militaires. La con- naissance fine de l’ionosphère joue un rôle clef pour comprendre les processus tels que, par exemple, l’évolution spatiale et temporelle du plasma et pour explorer la propagation d’ondes comme les vagues planétaires, les marées et les perturbations ionosphériques itinérantes (TID)s, et leur influence dans les mesures des satellites scientifiques, des satellites de télécommunication, ou des satellites de service. Dans le domaine de la défense où les cibles détectées par le radar doivent être localisée précisément, l’effet de l’ionosphère sur les mesures doit être connu. Pour les applications de grande précision (du centimètre au millimètre) et les applications en temps réel, la correction de ces erreurs est un défi important. Réduire les effets de l’ionosphère permettra d’améliorer les précisions pour différentes applications: navigation par satellites, orbitographie, altimétrie satellitaire, télécommunications... Néanmoins, les effets de l’ionosphère, s’ils ne sont pas corrigés, peuvent réduire la précision de positionnement, d’estimation de vitesse, et diverses informations estimées au cours du temps, qui sont calculées à partir des signaux reçus. Les erreurs de positionnement peuvent varier de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. La précision dans le positionnement par Global Positioning System (GPS) et dans la navigation est profondément affectée par l’ionosphère, car les signaux émis par les satellites sont modifiés sur leur chemin dans la densité de son plasma. Le retard causé par l’ionosphère est devenu la plus grande source d’erreur dans le positionnement par GPS et dans la navigation.