Le contexte de ces travaux de thèse est la transmission dite faster-than- Nyquist (FTN). Cette technique propose d’augmenter l’efficacité spectrale en augmentant le rythme de transmission au-delà de la bande occupée par le signal émis, indépendamment de la constellation choisie. Il a été montré que le FTN offre des taux d’information supérieurs à ceux des systèmes de Nyquist. Toutefois, le non respect du critère de Nyquist entraîne l’apparition d’interférence entre symboles et des techniques de réception appropriées doivent être utilisées. La technique de réception dite channel shortening consiste à filtrer la séquence reçue puis à calculer des probabilités symbole a posteriori approximatives à l’aide de l’algorithme BCJR en considérant une réponse de canal modifiée, de longueur réduite. Dans la littérature, en présence d’information a priori, les filtres du récepteur channel shortening sont optimisés sous critère de maximisation de l’information mutuelle généralisée (IMG) en utilisant des méthodes numériques. Nous proposons dans ces travaux de thèse une solution analytique pour l’ensemble des filtres channel shortening sous critère de maximisation de l’IMG lorsque le récepteur dispose d’information a priori. Nous démontrons ensuite que l’égaliseur au sens de la minimisation de l’erreur quadratique moyenne (MMSE) est un cas particulier de l’égaliseur channel shortening. Dans le cadre de la turbo égalisation, nous étudions ensuite un estimateur permettant d’obtenir l’information a priori à partir de l’information en sortie du décodeur correcteur d’erreurs. Finalement, nous évaluons les performances du système complet avec codage correcteur d’erreurs sur canal à bruit additif blanc Gaussien.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation des phénomènes de propagation affectant les signaux de navigation par satellite en environnement urbain dense avec une focalisation particulière sur les multitrajets et l'aspect large bande du canal de propagation espace/Terre. Le simulateur de canal pseudo temps-réel développé, SCHUN (Simplified CHannel for Urban Navigation), repose sur une approche hybride physico-statistique. La composante statistique de la modélisation permet essentiellement de générer une ville virtuelle à partir de distributions de bâtiments connues. Le reste de la modélisation s'appuie sur une approche physique simplifiée où les interactions ondes électromagnétiques/ville virtuelle reposent d'une part sur un modèle de macro-diffusion à l'échelle des façades, (3CM (Three Component Model)), et d'autre part sur un modèle physique de masquage du trajet direct par les bâtiments. Les principales méthodes numériques sous-jacentes sont l'optique physique et la théorie uniforme de la diffraction. Le simulateur de canal SCHUN ouvre aujourd'hui des perspectives intéressantes pour la modélisation large bande du canal de propagation espace/Terre. Optimisé pour des temps de calcul raisonnables, alliant une composante statistique à une composante physique simplifiée, ce simulateur a été conçu et validé par des mesures expérimentales pour répondre à des besoins de simulation des systèmes à diversité de satellite, diversité de réception, diversité de polarisation ou encore diversité de fréquence pour des applications de navigation par satellite.

Les systèmes de navigation par satellites GNSS ne cessent d’évoluer et ils sont déjà utilisés dans de nombreuses applications. Avec la venue des nouveaux systèmes Galileo et BeiDou ainsi que la modernisation des systèmes GPS et GLONASS, de nouveaux satellites ainsi que de nombreuses nouvelles fréquences et de nouveaux signaux feront leur apparition dans les prochaines années et qui vont encore ouvrir la porte à d’innombrables nouvelles applications. L’évolution rapide de la téléphonie mobile nécessite une meilleure exploitation des systèmes de navigation et de positionnement dans les environnements urbains. Jusqu'à maintenant, les signaux de navigation GPS ne peuvent pas être bien captés dans les environnements urbains. Les niveaux des signaux y sont très faibles et il est presque impossible d’acquérir et de poursuivre les signaux de façon autonome à cause de l'importance des obstacles. De plus, le positionnement à l’intérieur et dans les environnements urbains sont aussi soumis aux problèmes de multi-trajets, de masquage, d’interférences et de brouillages. Dans ces conditions, il faut pouvoir traiter des signaux très dégradés ou très courts qui ne permettent pas au récepteur d’effectuer le processus de poursuite. Ainsi, cela nous conduit à la nécessité de repenser l'architecture du récepteur GNSS pour les applications modernes. Ce projet de thèse consiste à développer de nouvelles méthodes et architectures de récepteur GNSS de haute sensibilité et robuste aux dégradations des signaux tout en concevant de nouveaux algorithmes intégrés dans un récepteur GNSS hybride capable de fonctionner dans les environnements urbains profonds ou « intérieurs ». La méthodologie prévoit l’utilisation de la nouvelle approche de « détection collective (CD) » ou « acquisition collaborative ». L'approche collaborative qui traite tous les signaux multi-satellites ouvre une solution intéressante. De nombreuses techniques existent dans la littérature pour résoudre les problèmes de positionnement dans les environnements urbains, mais nous proposons la nouvelle approche de détection collective en raison de sa performance en tant que méthode de positionnement direct et méthode d'acquisition de haute sensibilité, par l'application de la détection vectorielle de tous les satellites visibles. En effet, la bonne combinaison des valeurs de corrélation de plusieurs satellites peut réduire le niveau de C/N0 requis des signaux satellites par les algorithmes standards de traitement (acquisition et poursuite) qui ne peuvent pas être acquis individuellement mais permettent de contribuer de manière constructive à une solution collective de positionnement pour chaque utilisateur. L’objectif est de détecter collaborativement les satellites. La combinaison de différents signaux GNSS peut considérablement augmenter la sensibilité d'acquisition du récepteur. Malgré les avantages de cette approche, elle présente également des inconvénients tels que la charge de calcul élevée en raison du grand nombre de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Ainsi, le travail proposé dans cette thèse consiste à réduire la complexité du CD en optimisant la recherche de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Enfin, l'objectif est d'appliquer l'approche de détection collective au positionnement GNSS coopératif pour la navigation moderne dans des environnements difficiles. Pour cela, des algorithmes d'exploitation optimale des ressources du récepteur en sélectionnant les meilleurs satellites ou la station de référence seront développés selon certains critères tels que le niveau du rapport signal sur bruit (C/N_0), l’angle d’élévation des satellites ainsi que la configuration géométrique des satellites visibles. L’objectif final est de proposer une nouvelle architecture de récepteur cognitif de haute sensibilité permettant de recevoir de façon optimale les nouveaux signaux GNSS.

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 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.

L’objectif de cette thèse a consisté en l’étude des apports d’une architecture radar MIMO pour la détection d’êtres humains à l’intérieur des bâtiments. Pour ce faire, il a tout d’abord été mis en évidence sur un point théorique la supériorité d’une architecture radar MIMO comparée au SIMO, en terme de robustesse et de pouvoir discriminant de cibles rapprochées. Ensuite, les effets de la traversée du mur sur le signal radar furent décrits et une caractérisation quantitative de la transmission à travers un mur fut réalisée sur mesures expérimentales. Différents simulateurs de scénarii de détection à travers les murs ont été produits : un simulateur réaliste FDTD ainsi qu’un simulateur «comportemental» simplifié. La méthode de détection et de localisation retenue est l’imagerie radar. Ainsi, différents algorithmes d’imagerie radar pour une architecture MIMO furent développés. Des traitements incohérents (migration, multilatération), cohérents (filtrage adapté) et haute résolution (MVDR, MUSIC Time Reversal) furent détaillés. Enfin des considérations techniques (bilan de liaison, temps d’observation de la scène) ont été discutées et deux architectures radar MIMO ultra-large bande furent proposées. Une architecture radar MIMO avec 2GHz de bande et un multiplexage temporel pour l’adressage des antennes d’émission a été réalisée par le personnel du laboratoire. Des mesures expérimentales ont conduites permettant de réaliser la détection à travers les murs à l’aide du dispositif réalisé.

Les bandes de fréquences utilisées conventionnellement pour les systèmes fixes de télécommunication par satellites (bandes C et Ku i.e. 4-15 GHz) sont congestionnées. Néanmoins, le marché des télécommunications civil et de défense accuse une demande de plus en plus importante en services multimédia haut-débit. Par conséquent, l'augmentation de la fréquence porteuse vers les bandes Ka et Q/V (20-40/50 GHz) est activement étudiée. Pour des fréquences supérieures à 5 GHz, la propagation des signaux radioélectriques souffre de l'atténuation troposphérique. Parmi les différents contributeurs à l'affaiblissement troposphérique total (atténuation, scintillation, dépolarisation, température de bruit du ciel), les précipitations jouent un rôle prépondérant. Pour compenser la détérioration des conditions de propagation, des techniques de compensation des affaiblissements (FMT: Fade Mitigation Technique) permettant d'adapter en temps réel les caractéristiques du système en fonction de l'état du canal de propagation doivent être employées. Une alternative à l'utilisation de séries temporelles expérimentales peu nombreuses est la génération de séries temporelles synthétiques d'atténuation due à la pluie et d'atténuation totale représentatives d'une liaison donnée. Le manuscrit est organisé autour de cinq articles. La première contribution est dédiée à la modélisation temporelle de l'affaiblissement troposphérique total. Le deuxième article porte sur des améliorations significatives du modèle de génération de séries temporelles d'atténuation due à la pluie recommandé par l'UITR. Les trois contributions suivantes constituent une analyse critique et une modélisation de la variabilité des statistiques du 1er ordre utilisées lors des tests des modèles de canal. La variance de l'estimateur statistique des distributions cumulatives complémentaires de l'atténuation due à la pluie et de l'intensité de précipitation est alors mise en évidence. Un modèle à application mondiale paramétré au moyen de données expérimentales est proposé. Celui-ci permet, d'une part, d'estimer les intervalles de confiance associés aux mesures de propagation et d'autre part, de quantifier le risque en termes de disponibilité annuelle associée à la prédiction d'une marge de propagation donnée. Cette approche est étendue aux variabilités des statistiques jointes. Elle permet alors une évaluation statistique de l'impact des techniques de diversité de site sur les performances systèmes, tant à microéchelle (quelques kms) qu'à macro-échelle (quelques centaines de kms).

L'utilisation de systèmes GNSS (Global Navigation Satellites System) en environnement urbain s'est fortement développée, notamment avec l'apparition des puces GNSS dans les téléphones portables. Cependant, l'environnement urbain génère des difficultés dans la réception des signaux GNSS qui peuvent engendrer des erreurs en position de plusieurs dizaines de mètres. Nous avons choisi d'apporter une solution à ces problématiques grâce à l'utilisation d'un modèle 3D de ville réaliste simulant la propagation des signaux GNSS. La première partie de notre étude se porte sur la problématique des signaux Non Line Of Sight et propose une solution de navigation utilisant le modèle 3D de ville pour estimer les caractéristiques géométriques des signaux NLOS reçus par le récepteur. Dans la deuxième partie de notre travail, le modèle 3D de ville est utilisé pour estimer le biais dû aux signaux multitrajets sur la mesure de pseudodistance. Enfin, la dernière partie de notre étude propose une solution combinant les méthodes de poursuite vectorielle des signaux GNSS aux apports d'information du modèle 3D de ville afin d'aider la poursuite en contexte d'atténuation des signaux GNSS.

Cette thèse étudie les optimisations d’allocation de ressources dans le lien retour de systèmes satellites à faisceaux multiples limités par les interférences et pouvant être vus comme des systèmes MIMO virtuels. Cette thèse se focalise sur les interférences générées par les utilisateurs positionnés dans différents faisceaux et transmettant en même temps et avec la même fréquence. Le nombre de fréquences (couleurs) présent dans le système satellite modifie la bande passante et de ce fait la capacité du système. Quand ce nombre est réduit, par ex. une seule couleur, le niveau d’interférences augmente mais la bande passante dans chaque faisceau est plus grande. Il y a donc un compromis entre nombre de couleurs et niveau d’interférences. L’influence du canal satellite est tout d’abord évaluée en analysant le taux d’erreur obtenu avec diverses techniques de suppression d’interférences. La thèse s’oriente ensuite vers la théorie de l’information et étudie l’impact du nombre de couleurs sur les débits totaux. La détection multi-utilisateurs est prise en compte pour dériver les débits utilisateurs et en particulier le critère max-min est appliqué, montrant une amélioration du niveau d’équité. Les différents résultats sont utilisés pour optimiser l’allocation des ressources mais l’ordonnancement pour des systèmes MIMO à grande échelle représente une tâche difficile, le domaine de recherche étant de taille prohibitive. De ce fait cette thèse étudie aussi des algorithmes heuristiques à complexité réduite, basés sur la théorie des graphes, visant à trouver des ordonnancements sous-optimaux. Enfin le nombre de faisceaux et d’utilisateurs pris en compte pour l’ordonnancement sont étudiés pour proposer de nouveaux algorithmes satisfaisant des contraintes de qualité de service.

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.