Dans le cadre des systèmes de positionnement par satellite GNSS (« Global Navigation Satellite Systems »), l’intégrité de la navigation d’un utilisateur est gérée en réception par la détection, l’identification voire l’exclusion de mesures de pseudo-distance jugées erronées. Généralement basés sur le concept a posteriori RAIM (« Receiver Autonomous Integrity Monitoring »), les algorithmes de contrôle autonome d’intégrité fournissent de hautes performances pour l’aviation civile, dont le contexte de navigation est caractérisé par une forte visibilité des satellites et peu de signaux parasites captés par l’antenne réceptrice. L’algorithme WLSR RAIM est communément utilisé dans ce cadre. Néanmoins, les techniques RAIM ne sont pas compatibles avec la navigation terrestre en milieu contraint. En effet, le contexte urbain est notamment caractérisé par un masquage récurrent des signaux satellitaires directs ainsi que la réception de multi-trajets générés par l’environnement proche du récepteur. RAIM ne prend pas en compte l’ensemble des données disponibles en réception, dégradant ainsi fortement ses performances. Il est donc nécessaire de développer des méthodes de contrôle d’intégrité compatibles avec un tel contexte de navigation. Pour cela, la thèse propose d’étudier l’apport d’informations GNSS a priori non utilisées par les techniques RAIM. Deux paramètres principaux ont été exploités : le signal GNSS brut reçu et les estimations de directions d’arrivée des signaux satellitaires DOA (« Direction Of Arrival »). La première étape a consisté à implémenter une méthode a priori qui évalue la cohérence du positionnement estimé par rapport au signal brut directement reçu. Cette méthode a été nommée Direct-RAIM (D-RAIM) et a démontré une forte sensibilité de détection, permettant d’anticiper d’éventuels risques sur la navigation et de caractériser plus finement la qualité de l’environnement proche du récepteur. Toutefois, le caractère a priori de l’approche engendre de potentielles non détection d’erreurs en cas de modèle de signal défectueux. Afin de contourner cette limitation, un couplage WLSR RAIM – D-RAIM a été développé, nommé Hybrid-RAIM (H-RAIM). Une telle approche permet de combiner robustesse et sensibilité apportées par ces techniques respectives. Le second axe de recherche a mis en évidence la contribution de l’information des DOA dans un contrôle autonome d’intégrité. L’intégration d’un réseau d’antennes en réception permet d’obtenir l’estimation des DOA pour l’ensemble de la constellation visible. Théoriquement, l’évolution jointe des DOA est directement liée à l’attitude du réseau. Cet aspect permet donc de détecter toute incohérence sur une ou plusieurs voies en cas d’estimation(s) de DOA biaisée(s), par rapport à l’ensemble de la constellation. L’algorithme RANSAC (« RANdom SAmple Consensus») a été utilisé afin de détecter tout comportement aberrant dans l’estimation des DOA, et ainsi mesurer la confiance que l’utilisateur peut placer dans chaque voie. L’algorithme WLSR RAIM RANSAC a ainsi été implémenté. L’intégration de la composante DOA permet d’ajouter un degré de liberté dans le contrôle autonome d’intégrité côté récepteur et ainsi d’affiner la détection voire l’exclusion d’erreurs. Au cours de cette thèse, un récepteur logiciel a été implémenté, permettant de traiter des signaux Galileo, de la génération du signal jusqu’au positionnement puis au contrôle d’intégrité. Ce récepteur a pu être évalué à partir de données simulées en environnement urbain.

Dans le domaine de la surveillance maritime, les systèmes coopératifs d’identification et de positionnements tels que l’AIS (Automatic Identification System) sont souvent couplés à des systèmes d’observation de navires non coopératifs comme les Radars à Synthèse d’Ouverture (RSO). Dans ce contexte, la fusion des données AIS et Radar peut améliorer la détection de certains navires et d’identifier éventuels scénarii de surveillance. Le premier chapitre introduit les systèmes et détaille la structure des données AIS et Radar ainsi que le traitement du signal utilisé. Le deuxième chapitre présente l’apport potentiel de l’utilisation conjointe des données brutes Radar et AIS pour la détection de navires à l’aide d’un test basé sur le rapport des vraisemblances maximales (test GLRT). Bien que les performances soient encourageantes, la mise en pratique du détecteur en temps-réel semble compliquée. Le troisième chapitre présente une alternative sous-optimale qui explore les données brutes Radar et une carte des positions de bateaux provenant de l’AIS. Contrairement au chapitre deux, en plus de la détection simultanée par l’AIS et radar, les cas où seul l’un des systèmes détecte un objet peuvent maintenant être distinguées. Le problème est formalisé par deux tests d’hypothèses binaires successifs. Le test proposé est moins sensible à la proximité et à la densité des navires qu’un détecteur radar classique. Le quatrième chapitre présente le simulateur développé pour tester les algorithmes sur différents scénarii de surveillance, à savoir un scénario de piraterie sur un navire civil, un transbordement illégal et une navigation dans un environnement dense.

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.