Les travaux menés lors de cette thèse s’inscrivent dans le cadre général de la détection de cibles en utilisant une forme d’onde non-conventionnelle large bande. L’utilisation d’une forme d’onde large bande à faible PRF a été proposée par le passé une alternative aux traitements multi-PRF qui limitent le temps d’illumination de la scène. En effet, l’augmentation de la bande instantanée permet d’obtenir une meilleure résolution distance ; les cibles rapides sont alors susceptibles de migrer lors du temps de traitement, mais ce phénomène de couplage distance-vitesse peut être mis à profit pour lever les ambiguïtés. L’objectif de la thèse est alors de développer, pour une forme d’onde large bande avec faible PRF, des traitements prenant en compte la migration des cibles et capables de lever les ambiguïtés vitesse dans des scénarios réalistes. Les travaux se basent sur un algorithme de représentation parcimonieuse non-ambigüe de cibles migrantes, dans un cadre algorithmique Bayésien. Cet algorithme est en revanche développé sous certaines hypothèses, et des travaux de robustification sont alors entrepris afin de l’utiliser sur des scénarios plus réalistes. Dans un premier temps, l’algorithme est robustifié au désalignement des cibles par rapport à la grille d’analyse, puis modifié pour prendre également en compte une possible composante diffuse de bruit. Il est également remanié pour estimer correctement une scène comportant une forte diversité de puissance, où des cibles fortes masquent potentiellement des cibles faibles. Les différents algorithmes sont validés à la fois sur des données synthétiques et expérimentales.

Les récepteurs GNSS sont utilisés pour estimer la position et la vitesse d’un véhicule à partir de signaux transmis par des satellites. L’estimation est habituellement réalisée en plusieurs étapes. Les paramètres des signaux qui concernent le délai de propagation, la phase et la fréquence Doppler de la porteuse, sont estimés et exploités pour estimer des mesures de pseudo-distances et de delta-distances. Ces mesures sont ensuite utilisées comme observation de la position et de la vitesse par l’algorithme de navigation qui délivre l’état du véhicule. En environnement GNSS dégradé les signaux émis par les satellites GPS peuvent subir des réflexions, des réfractions, et suivre ainsi des chemins multiples, communément connus sous le nom de multi-trajets. Ces signaux induisent des déformations du signal à différents niveaux dans les récepteurs. En particulier il en résulte une distorsion des fonctions de corrélation et des fonctions de discrimination, ce qui conduit à des erreurs dans les estimées de pseudo-distances et de delta-distances et, en conséquence, à une erreur de positionnement. Bénéficiant d’un état de l’art des approches développées pour l’atténuation des effets des interférences, de nouvelles techniques sont proposées dans cette thèse afin de réduire l’impact des MT sur les performances des récepteurs, et d’améliorer ainsi la précision de positionnement GPS.

Cette activité de recherche concerne le domaine de la navigation par satellite qui utilise les systèmes GNSS (Global Navigation Satellite Systems). Elle vise à améliorer les performances globales d’un système de navigation, c’est à dire la robustesse, la disponibilité et l’intégrité d’un récepteur utilisant les signaux GNSS pour élaborer sa position et sa vitesse. L’enjeu est important et on note que les représentations des nouveaux signaux proposés pour GPS et GALILEO visent à diminuer la corrélation entre les signaux, faciliter la poursuite de ces signaux en abaissant le niveau des seuils de poursuite, réduire l’effet des interférences. La navigation basée sur les signaux GNSS reste toutefois dépendante du canal de propagation et est particulièrement affectée en cas réflexion, réfraction, diffraction, diffusion, et de blocage du signal émis par le satellite. Il en résulte une dégradation importante des performances en environnement urbain. L’objectif de cette recherche est ainsi de proposer, d’analyser et de caractériser des architectures de récepteur robuste, permettant d’adresser efficacement le problème de la navigation dans des environnements difficiles où le signal GNSS est affecté par de fortes perturbations. De nombreux travaux de recherche visant à améliorer les performances des algorithmes de poursuite du signal au sein d’un récepteur ont été conduites, en particulier pour adresser le problème de cette poursuite dans des environnements difficiles, en présence de multi-trajets. Les approches les plus connues traitent le signal de post-corrélation. Ainsi l’utilisation de corrélateurs étroits permet de réduire l’impact des multi-trajets générant un retard important. De même des techniques utilisant un banc de corrélateurs pour estimer les paramètres des multi-trajets ont été étudiées. La présence de multi-trajets demeure toutefois une importante source d’erreur pour des récepteurs opérant en environnement urbain. L’amélioration des performances des récepteurs dans ce contexte reste un enjeu important et de nombreuses études sont conduites en vue d’améliorer la disponibilité, la robustesse, la fiabilité et l’intégrité de ces récepteurs. Le principal objectif de cette thèse est de proposer une architecture de poursuite adaptive exploitant des techniques de poursuite vectorielle (Vector Tracking Loop – VTL). Les récepteurs conventionnels utilisent une architecture directe où une poursuite scalaire du signal (Scalar Tracking Loop – STL) est réalisée en amont du navigateur. Cette architecture n’utilise pas les informations élaborées par le navigateur pour améliorer les performances de la poursuite. Au contraire l’architecture vectorielle permet à la poursuite de bénéficier de la connaissance de la position et de la vitesse estimées par le récepteur. Il peut en résulter une dégradation de la poursuite lorsque le navigateur ne sait pas isoler une mesure contaminée. Cet architecture rend donc les performances d’un canal très dépendantes des mesures utilisées par le navigateur, et donc en particulier des autres canaux. L’approche qui est explorée ici vise à combiner les approches de poursuite STL et VTL pour améliorer les performances des récepteurs en environnement urbain, dans un contexte multiconstellation.

Cette thèse porte sur les défis en matière de surveillance de la fiabilité de la navigation par GNSS pour les applications de véhicules terrestres dans les milieux urbains. L'objectif principal de cette recherche est de développer des méthodes de positionnement avec confiance en utilisant des mesures GNSS et des mesures de confiance pour l'utilisateur dans des environnements urbains contraintes. Dans la première partie de la thèse, les erreurs NLOS en milieu urbain sont caractérisées par un modèle 3D de l'environnement urbain. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons proposé une technique de surveillance de la fiabilité dans le domaine des mesures GNSS pour l'environnement urbain en utilisant un capteur de vitesse fiable. Enfin, nous avons développé une nouvelle expérimentale de surveillance de l'intégrité pour le positionnement en milieu urbain. En surveillant de la statistique de test contre un seuil spécifique, l'intégrité et la continuité de positionnement sont fixés à un certain niveau de confiance. En outre, le calcul de niveau de protection horizontale (HPL) en utilisant une approche composite a également été proposé.

En environnements hostiles, les signaux GNSS (Global Navigation Satellite System) peuvent être soumis à des risques de brouillages intentionnels. Basées sur un réseau d'antennes adaptatif, les solutions spatio-temporelles (STAP) ont déjà montré de bonnes performances de réjection des interférences. Toutefois, lorsque le module GNSS est placé sous les pales d'un hélicoptère, des effets non-stationnaires, appelés Rotor Blade Modulation (RBM), créés par les multiples réflexions du signal sur les pales du rotor, peuvent dégrader les techniques usuelles d’antibrouillage. Le signal utile GNSS n’est alors plus accessible. Le travail de la thèse consiste donc à élaborer un système de protection des signaux GNSS adapté à la RBM. Pour cela, un modèle innovant de multitrajets, adapté à ce type de phénomène, a été développé. La comparaison de simulations électromagnétiques représentatives et de mesures expérimentales sur hélicoptère EC-120 a permis de valider ce modèle. Celui-ci permet d'estimer, par maximum de vraisemblance, les paramètres de la contribution non-stationnaire du signal reçu. Enfin, l'association d'un algorithme de filtrage des multitrajets par projection oblique et d'un traitement STAP permet d'éliminer la contribution dynamique puis statique de l'interférence. Les simulations montrent que le signal utile GNSS est alors de nouveau exploitable.

Cette thèse à pour but d'étudier des alternatives à l’augmentation des faisceaux dans des systèmes satellite THD de prochaine génération, évaluant des stratégies pour augmenter de manière significative la capacité totale du système. Dans ce contexte, les schémas de réutilisation de fréquence (FR) agressives viennent naturellement dans l'esprit afin d'augmenter les ressources globales en bande passante et, par conséquent, augmenter la capacité globale du système. Cependant, ces schémas mènent à une augmentation des interférences co-canal, rendant l'utilisation du spectre supplémentaire pas tellement efficace. Visant à trouver une solution à ce défi, des techniques basées sur des interférences ont été évaluées dans un contexte satellitaire réaliste, correspondant au précodage linéaire et la réutilisation fréquentielle fractionnelle (FFR). Le précodage linéaire est une technique MIMO qui permet l’application des schémas de réutilisation plus agressifs en traitant conjointement les signaux transmis afin de pré-compenser les interférences co-canal. Cette technique a été étudiée dans le cadre des systèmes THD et sa performance dérivé en considérant une caractérisation réaliste antenne, prouvant l'importante amélioration dans la capacité totale du système. Des stratégies de scheduling ont été également étudiées et des algorithmes évalués, prouvant que d'autres améliorations peuvent être réalisées considérant mécanismes intelligents de scheduling. Une autre voie d'augmenter les ressources spectrales par faisceau a été étudiée considérant des schémas FFR, utilisés en grande partie dans les réseaux mobiles terrestres (c.-à-d. WiMax, LTE…).

L’orbite d’un satellite autour de la terre est perturbée en permanence par différents facteurs, tels que la variation du champ gravitationnel et la pression du vent solaire. La dérive de la position du satellite peut compromettre la mission, voire mener à une collision ou à une chute dans l’atmosphère. Les opérations de maintien à poste consistent donc à effectuer une mesure précise de la trajectoire du satellite puis à utiliser ses propulseurs pour corriger sa dérive. La solution classique de mesure de position est basée sur des radars au sol. Ce dispositif est couteux et ne permet pas d’avoir la position du satellite en permanence : les corrections de trajectoires se font donc de façon espacées dans le temps. Un système de positionnement et de navigation autonome utilisant les constellations de satellites de navigation, appelées Global Navigation Satellite System (GNSS), permettrait une réduction importante des coûts de conception et de maintenance opérationnelle. Plusieurs études ont été menées en ce sens et les premiers systèmes de navigation, basés sur des récepteurs GPS, voient le jour. Un récepteur en mesure de traiter plusieurs systèmes de navigation, tel que GPS et Galileo, permettrait d’obtenir une meilleure disponibilité de service. En effet, le système Galileo est conçu pour être compatible avec le système GPS, tant en terme de signaux émis que de données de navigation. La connaissance permanente de la position permettrait alors de réaliser un contrôle asservit du maintien à poste. Dans un premier temps, nous avons défini quelles seront les spécifications d’un récepteur spatial multimission. En effet, les contraintes pesant sur un tel récepteur sont différentes de celles d’un récepteur situé à la surface de la Terre. L’analyse de ces contraintes, ainsi que des performances demandées à un système de positionnement, est donc nécessaire afin de déterminer les spécifications du futur récepteur. Il existe peu d’études sur le sujet. Certaines d’entre elles sont classées secret industriel, d’autres présentent, à notre avis, un biais d’analyse qui fausse la détermination des spécifications. Nous avons donc modélisé le système : orbites des satellites GNSS et des satellites récepteurs, liaison radiofréquence. Certains paramètres de cette liaison ne sont pas donnés dans les documents de spécifications ou les documents constructeurs. De plus, les données théoriques disponibles ne sont pas toujours pertinentes pour une modélisation réaliste. Nous avons donc dû estimer ces paramètres en utilisant des données disponibles. Le modèle a été ensuite utilisé afin de simuler divers scenarii représentatifs de futures missions. Après avoir défini des critères d’analyse, les spécifications ont été déterminées à partir des résultats des simulations. Le calcul d’une position par un système de navigation par satellite se déroule en trois phases principales. Pour chacune de ces phases, il existe plusieurs algorithmes possibles, présentant des caractéristiques différentes de performance, de taille de circuit ou de charge de calcul. L’essor de nouvelles applications basées sur la navigation entraine également le développement de nouveaux algorithmes adaptés. Nous présentons le principe permettant la détermination d’une position, puis les signaux de navigation GPS et Galileo. A partir de la structure des signaux, nous expliquons les phases de la démodulation et de la localisation. Grâce à l’utilisation des constellations GPS et Galileo, les algorithmes standards permettent d’atteindre les performances nécessaires pour des applications spatiales. Ces algorithmes nécessitent néanmoins d’être adaptés ; ainsi certaines parties ont été conçues spécifiquement. Afin de valider les choix d’algorithmes, et les paramètres liés aux spécifications, nous avons simulés les différentes phases de fonctionnement du récepteur en utilisant des signaux GPS réels. Pour terminer, les retombées et perspectives sont exposées dans la conclusion.

Le travail de recherche présenté dans cette thèse est basé sur l’étude du protocole de communication par satellite appelé « Enhanced Spread Spectrum Aloha » (E-SSA) et créé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) en 2009. Il s’agit d’une technique qui permet à un terminal d’envoyer des messages courts par satellite de manière totalement asynchrone. L’intérêt est de maximiser l’efficacité spectrale tout en gardant une complexité minimale du terminal grâce aux techniques d’étalement de spectre et d’annulation d’interférences (SIC). Alors qu’au départ le protocole E-SSA avait pour but d’apporter un support physique pour des applications destinées à des terminaux mobiles en bande S, les développements se sont récemment étendus à une gamme de terminaux fixes dans des bandes de fréquence différentes (C, Ku ou Ka). À partir de ces deux modèles d’utilisation de l’E-SSA, ce travail de recherche se concentre sur la mise en place de solutions techniques permettant d’augmenter significativement la capacité globale du système. Cela est possible à travers une optimisation des différents paramètres du protocole et la conception d’algorithmes de gestion des puissances des terminaux.

Les systèmes de navigation par satellite (GNSS) font partie de notre quotidien. On peut présentement les trouver dans un ensemble d’applications. Avec les nouveaux besoins, des nouveaux enjeux sont aussi apparus : le traitement du signal dans les environnements urbains est extrêmement complexe. Dans cette thèse, le traitement des signaux GNSS à faible puissance est abordé, en particulier dans la première phase du traitement, nommé acquisition de signal. Le premier axe de recherche porte sur l’analyse et la compensation de l’effet Doppler dans l’acquisition. Le décalage Doppler perçu par l’utilisateur est un des paramètres principaux pour la configuration du module d’acquisition. Dans cette étude, des solutions sont proposées pour trouver le meilleur compromis sensibilité-complexité propre à l’acquisition. En deuxième axe, la caractérisation des détecteurs différentiels est abordée, en particulier la quantification de sa sensibilité. Pour l’acquisition des signaux faibles, après une première phase d’intégration cohérente, il faut passer par une intégration «postcohérente» (noncohérente ou différentielle.) L’analyse exécutée ici permet de meilleur identifier le meilleur choix entre les deux possibilités. Le troisième axe de recherche est consacré à la méthode de Détection Collective (CD), une innovation qui fait l’acquisition simultanée de tous les signaux visible par le récepteur. Plusieurs analyses sont réalisées incluant l’amélioration de la procédure de recherche de la CD, et l’hybridisation avec l’acquisition standard. Enfin on effectue l’analyse de la CD dans un contexte multi-constellation, en utilisant simultanément des vrais signaux GPS et Galileo.

Le plasma est un gaz ionisé qui possède des caractéristiques physiques intéressantes dans le domaine des hyperfréquences. En simplifiant, on peut le caractériser comme un milieu diélectrique dispersif dont la permittivité est fonction de deux paramètres : la pulsation plasma (wp) et la fréquence de collision électron-neutre (np). En pratique, ces paramètres dépendent principalement de la densité électronique du gaz et de sa pression. Ainsi, en contrôlant les caractéristiques du plasma, on contrôle sa permittivité diélectrique, ce qui permet d’envisager son application dans le domaine de la reconfigurabilité en hyperfréquence. Parmi les topologies pouvant générer une décharge plasma, nous nous sommes focalisés sur l’utilisation de topologies récentes, à savoir les microdécharges plasma. Ces microdécharges sont intéressantes de par leur facilité d’intégration dans un dispositif RF : petite taille, stabilité, température proche de la température ambiante et perspectives d’utilisation à plus haute pression, voire à la pression atmosphérique. Devant la difficulté de modéliser précisément l’effet du plasma sur une onde guidée, une approche expérimentale a été privilégiée. Deux dispositifs de mesure ont ainsi été conçus pour caractériser cette interaction : une ligne de transmission microruban classique et une inversée intégrant une microdécharge en leurs centres. Grâce au protocole expérimental mis en œuvre, les paramètres S de la ligne de transmission sont obtenus et comparés à ceux des lignes sans plasma dans une large gamme paramétrique, qu’il s’agisse de la pression du gaz, de la fréquence ou encore du courant injecté à la décharge. Les résultats obtenus montrent deux phénomènes particulièrement intéressants : un déphasage de l’onde électromagnétique en présence de la décharge plasma et / ou une absorption importante de la puissance par la décharge. Deux dispositifs antennaires ont finalement été conçus en exploitant ces résultats. Le premier est une antenne imprimée accordable en fréquence dans une plage de l’ordre du pourcent, grâce à une décharge plasma contrôlée. Le plasma modifie alors la constante diélectrique entre les deux conducteurs constitutifs de l’antenne. Le second dispositif est une antenne anneau imprimée qui peut protéger son récepteur d’une attaque microondes de forte puissance. Ainsi, lorsqu’un champ incident dépasse un seuil prédéfini, réglable dans une certaine mesure par une tension continue externe, une décharge plasma apparaît au sein de l’élément rayonnant. Elle crée alors de la désadaptation et de l’absorption qui limitent de façon non linéaire la puissance restituée à l’accès.