KN2C - Stealth DDF2020T/GPS - Doppler Direction Finder

Désirer géolocaliser un émetteur est probablement presque aussi ancien que la première transmission elle-même. Les raisons sont multiples : on pense souvent en priorité à la localisation d’un vilain pirate -un utilisateur non autorisé d’une partie du spectre radioélectrique- mais au quotidien de nombreux autres motifs sont bien plus importants, tels que le bon alignement sur les pistes pour les avions en approche, ou même lorsqu'ils sont en vol, lorsqu’ils s’orientent sur les diverses balises (on parle de radiophares ou radiobalises) qui parsèment les territoires du monde entier. Sur l’eau, la localisation d’une transmission d’appel au secours en direction des centres régionaux opérationnels de surveillance et de sauvetage (CROSS) est aussi d’une importance potentiellement vitale.

Il y a plusieurs méthodes pour géolocaliser une transmission, mais nous devrions plutôt parler de définir la direction d’où provient le signal. Ce n’est après plusieurs mesures de direction du signal, depuis plusieurs points de mesure, que l’on parlera de géolocalisation.

Nous n’allons pas toutes les évoquer ici : je vous invite à voir en bas de cet article, un lien vers une page assez complète.

La méthode la plus utilisée par les radioamateurs est celle qui consiste à orienter son antenne directive vers le correspondant en définissant l’angle vers lequel la force du signal est la plus importante.
C’est ce que font notamment les amateurs du trafic via satellite - et sur les 3 axes ! - en suivant « à la main » la position dans le ciel du satellite vers lequel ils souhaitent transmettre.

Une méthode encore plus simple est de mesurer le champ électrique, sans antenne directive, en se déplaçant dans toutes les directions afin de définir de quel côté le signal arrive le plus fort… techniquement simple, mais coûteux en temps et en déplacement ! On réserve cette méthode d’avantage pour une approche finale afin de localiser l’origine d’une perturbation continue dans une maison, par exemple (alimentation à découpage générant des parasites radio-électriques…)

Comme il n’est pas question de demander aux agents du CROSS de courir dans tous les sens sur la plage avec leur talkie-walkie tenu à bout de bras pour définir d’où provient l’appel de détresse reçu, d’autres méthodes de localisation sont retenues.
C’est d’ailleurs souvent au dessus de ces centres de secours en mer que l’on trouve une antennes de reception par effet Doppler :

Chaque brin vertical à l’extrémité des éléments horizontaux est une antenne : chaque antenne reçoit le signal transmis, mais comme il n’est quand même pas question de placer autant de récepteurs qu’on a d’antennes de réception, nous allons utiliser rapidement une antenne à la fois, puis passer à la suivante et ainsi de suite, avec un seul récepteur.
Bien entendu, pas question de commuter les antennes « à la main », nous allons jouer avec un multiplexeur qui va se charger de la commutation: le phénomène en résultant étant de faire virtuellement "tourner" l'antenne de réception.

Et quand une antenne qui tourne autour d'un axe est placée dans le champ d'un émetteur, il se produit une variation de fréquence due à l'effet Doppler.
Le signal est alors reçu à une fréquence plus élevée que celle de la fréquence réelle lorsque cette antenne se rapproche de la source, alors que la fréquence reçue diminue lorsque l’antenne s’éloigne de la source.

Quelques explications en rapport avec la figure ci-dessus: l'antenne A est la plus proche de la source de transmission: la fréquence du signal reçu par A est égale à celle du signal transmis car la distance entre l’émetteur et l'antenne reste constante.
Puis la fréquence du signal reçu diminue quand l'antenne se déplace virtuellement du point A au point B.
La déviation de fréquence -∆f est maximale lorsque l'antenne passe par le point B.
La fréquence du signal reçu au point C est la même que celle du signal transmis f0 puisque que la distance entre l’antenne et la source est a nouveau constante.
Quand l'antenne se déplace de C vers A, la fréquence du signal reçu augmente.
La déviation de fréquence maximale se produit à nouveau quand l'antenne passe par D, où elle vaut +∆f.

En fonction de la "vitesse de rotation" de l'antenne de réception et de la vitesse de déplacement des ondes, on définit de quelle direction provient le signal.

Pour rentrer dans les détails et les calculs, n'hésitez pas à aller voir le document sur la radiogoniométrie Doppler de F1LVT, c'est bien plus détaillé et clair que ce que je vous résume ici.

Pour rester dans notre exemple du centre de secours, plusieurs stations recevant le même signal, la géolocalisation peut être assurée par triangulation en quasi temps réel.

C’est bien plus rapide qu’une antenne a faire tourner, ou d’agents du CROSS à faire courir sur la plage...

Et pour l'amateur ?

Alors maintenant que vous avez compris le principe, vous allez me dire que ce type de matériel n’est pas à la portée de l’amateur. Alors, oui et non… car en le simplifiant il est déjà possible de s’amuser un peu : juste quatre antennes, un système qui va les commuter et un simple récepteur et vous pouvez déjà vous prendre pour un agent de la police des ondes.

KN2C, a produit, il y a déjà plus de 10 ans, ce « système de commutation » et de calcul : le Radio Direction Finder DF2020T.
De mon côté, j’ai monté ce kit en 2016 pour un projet scolaire de « robot suiveur autonome » : son but était de suivre un humain ou un mobile, équipé d’un émetteur LPD (Low Power Device) et à condition qu'il n'y ait pas trop d'échos, ça fonctionnait.

Monté sur une voiture, la géolocalisation d’une transmission FM devient presque une partie de plaisir.

Bon, il y a un peu de travail de mise au point avant de se lancer :

Déjà, j'ai pu remarquer que les antennes ne doivent pas être espacées de la valeur de la longueur d’onde du signal reçu, sinon cela fausse les mesures.

Il est donné pour fonctionner entre 100 MHz et 1GHz, mais mes tests sur le 50 MHz montrent qu’il peut aussi être utilisé sur le 6m. L'effet Doppler est cependant moins présent sur le 6m qu'en UHF.

Pour commencer, il faut l’étalonner en effectuant une transmission FM de faible puissance sur les 360° autour de la voiture, et régler un petit potentiomètre sur le boîtier, afin de d’ajuster l’afficheur à leds intégré à la réalité du terrain (il vaut donc mieux être deux pour cet étalonnage).

Bien entendu il faut l’effectuer sur un espace le plus vide possible de murs, grillages et tout autres sources de renvoi potentiel des ondes émises, sinon des défauts de réception vont évidemment être rencontrés à cause des échos reçus.

Cet étalonnage doit être effectué avec soin et est à refaire à chaque modification de position des antennes les unes par rapport aux autres. Une installation sur une plaque dédiée, elle-même fixée sur les barres de toit pourrait être une bonne idée, ou un marquage au scotch de couleur de la position des embases magnétiques sur la carrosserie de la voiture, afin de gagner un peu de temps la prochaine fois.

Pour ma part, j’assure généralement cet étalonnage avec un couple de Midland G7 en mode LPD (433 MHz) avec 10mW, c’est suffisant. Un récepteur large bande peut être aussi utilisé. Pensez à bien supprimer le squelch sur le récepteur, c'est mieux.

Je fais varier la taille des antennes utilisées en fonction des fréquences visées (50 cm pour la VHF et plus petites pour des fréquences plus élevées). Ce n’est pas critique, mais pour identifier la direction d’un signal, il faut déjà l’entendre correctement.

Cet appareil accepte l'installation d'un GPS externe et possède une sortie RS-232 (sur une prise de type DB-9), sur laquelle il transmet la position du récepteur et le cap du signal reçu, ce qui permet de le traiter par un programme externe ou de l'afficher sur une carte, par exemple.

Le haut-parleur intégré permet d'écouter la transmission reçue, mais une sortie audio externe est aussi disponible si besoin, car sans le squelch, sur le haut-parleur intégré, le souffle de la FM casse un peu les oreilles !

Voilà les grandes lignes du principe de la réception/détection "par effet Doppler" et la description du fonctionnement d'un appareil de ce genre pour les amateurs de géolocalisation.