Ce manuscrit réunit les résultats d’études consacrées à la modélisation spatio-temporelle des affaiblissements de propagation dans la troposphère. La modélisation de ces affaiblissements est utile pour l’optimisation et le dimensionnement des dispositifs adaptatifs de gestion de la ressource des satellites de télécommunication opérant en bande Ka ou Q/V. Ce manuscrit est organisé autour de cinq articles de revues. Les deux premières contributions sont dédiées à la modélisation des distributions statistiques de contenus troposphériques en vapeur d’eau et en eau liquide à partir respectivement de mesures radiométriques et de bases de données climatiques. La troisième étude touche à l’évaluation des performances d’un système utilisant la diversité de site à partir de données de radar météorologique ; une étude de l’advection des champs précipitations et de son paramétrage par des sorties de modèles de prévision météorologique est également entreprise. Le quatrième article vise à établir une expression analytique de la distribution de la fraction d’une zone, d’une taille comparable à celle d’un faisceau satellite, affectée par la pluie ; ce modèle est établi en assimilant les champs de précipitations à des champs aléatoires. Le formalisme des champs aléatoires est repris dans le cinquième article qui propose une modélisation spatio-temporelle des champs de précipitations et des atténuations sous-jacentes à hautes résolutions et à l’échelle d’une couverture satellite continentale.

Pour les organismes nationaux et/ou internationaux, disposer d’un moyen de communication flexible et rapidement déployable sur une zone de service étendue représente un enjeu majeur. Pour assurer la sécurité des personnes dans des zones parfois difficiles d’accès, il est également important de posséder une infrastructure de communication qui fonctionne même en présence de brouilleurs. Un système satellite disposant d’une antenne réseau à rayonnement direct (DRA) associée à un formateur de faisceaux numérique (DBFN) et à un algorithme d’allocation de la ressource temps-fréquence-position permet d’atteindre ces objectifs, en réalisant un accès multiple à répartition spatiale (SDMA). Le SDMA est le couplage d’une allocation flexible de la ressource et de la formation de faisceaux adaptative. Compte tenu des contraintes spatiales, l’utilisation de traitements à faible complexité et faible support d’entraînement est nécessaire pour la mise en place d’une stratégie SDMA afin de permettre une utilisation efficace de la ressource en fréquence. Les conditions d'utilisation de tels algorithmes de formation de faisceaux requis dans le SDMA sont déterminées en fonction du contexte opérationnel rencontré. La quantification des bénéfices apportés par le SDMA montre qu’en temps de paix l’efficacité spectrale, et donc le débit des liens sont augmentés, et qu’en présence de brouilleurs, le maintien d’une partie des communications est réalisé.

Le positionnement en environnement urbain est un domaine de recherche actif, de par la croissance des services grand public liées la localisation, et à cause de réglementations émergentes liées aux situation d'urgence (E911). En environnement urbain ou à l'intérieur des bâtiments, il est communément admis que les systèmes de positionnement basés sur des satellites ne sont pas suffisants pour fournir une position précise, fiable et de manière continue. Des techniques de positionnement alternatives sont donc développées afin de remplacer ou compléter les systèmes de positionnement par satellite. Cette thèse étudie la possibilité de fournir un service de positionnement utilisant un futur système de diffusion de télévision vers les mobiles basé sur le standard DVB-SH. Le principal attrait de ce système pour du positionnement est sa bonne couverture en milieu urbain, ainsi que l'utilisation d'un réseau d'émetteurs synchronisés. Il est donc possible d'employer des mesures de temps d'arrivée des signaux afin de réaliser une triangulation pour calculer la position d'un récepteur. Afin de fournir ce service innovant, des techniques spécifiques d'estimation de pseudo-distance et d'identification d'émetteurs ont été développées dans le cadre de cette thèse. Le principal résultat de cette étude est d'avoir montré la faisabilité du positionnement utilisant un système DVB-SH, ne nécessitant que de légères modifications du système qui n'apportent aucune dégradation au service de diffusion TV. De premières simulations ont montré une précision de positionnement autour de 40m en utilisant des mesures réalistes de canal de propagation urbain.

La thèse a pour but la détection de cibles pour un radar large bande à basse fréquence de répétition (mode BFR). L’intérêt de ce type de radar est de pouvoir s’affranchir des ambiguïtés distance, au prix de nombreuses ambiguïtés vitesse qui empêchent de repérer les cibles présentes aux vitesses aveugles du fouillis. Toutefois, l’utilisation de formes d’onde large bande permet d’obtenir une résolution très fine (de l’ordre de la dizaine de centimètres) pour le radar considéré, d’où l’apparition d’un phénomène de migration de la cible d’une impulsion à l’autre. On veut tirer partie de ce phénomène pour s’affranchir du phénomène d’ambiguïté vitesse et ainsi disposer d’un radar air/sol ou air/air sans ambiguïté distance, auquel on associera des traitements spécifiques au signal large bande pour lever les ambiguïtés vitesse d’une part, et détecter des cibles dans les vitesses aveugles du fouillis d’autre part. Dans un premier temps, un modèle de cible pour le contexte large bande est présenté. Le modèle développé permet de définir le traitement adapté au cas d’une cible dans du bruit blanc. Celui-ci consiste en une simple sommation cohérente tenant compte de la migration distance. Une méthode de calcul rapide de ce traitement a été développée. Néanmoins ce filtrage fait apparaître des lobes secondaires élevés à toutes les ambiguïtés vitesse qui peuvent se révéler gênants pour la détection des mobiles dans un scénario multi-cibles ou corrompu par du fouillis de sol. Deux approches sont alors proposées pour s’affranchir de ce problème : d’une part, on propose un traitement consistant à supprimer les points réfléchissants qui ne migrent pas (ou peu) sur la durée du traitement. Ce traitement est nommé le Migrating Target Indicator (MiTI). D’autre part, une approche de type analyse spectrale consistant à traiter les données après un pré-filtrage du fouillis est également abordée. Ceci mène à la définition des estimateurs W-APES et W-Capon qui tiennent compte de la migration distance des cibles. Le problème majeur de ces techniques réside dans le fait que des lobes secondaires, certes moins élevés qu’après une sommation cohérente, subsistent et peuvent conduire à des fausses alarmes. Un traitement itératif iW-Capon pour résoudre ce problème a été proposé, en utilisant une démarche similaire à celle de l’algorithme CLEAN. Toutes les méthodes présentées ont finalement été testées sur des données réelles provenant du radar PARSAX de l’Université de Technologie de Delft (Pays-Bas).

Dans les systèmes de positionnement par satellite (GNSS), les réflexions multiples, caractéristiques des canaux de propagation urbains, posent de gros problèmes dans la bonne estimation de la position. Bien que de nombreuses solutions aient été proposées pour lutter contre les multi-trajets (Narrow correlator, MEDLL), les multi-trajets à faibles retards relatifs (<0.1Chips) sont toujours problématique. Plus récemment, l'utilisation de réseaux d'antennes adaptatifs a été proposée pour lutter contre les multi-trajets. En effet, l'échantillonnage spatial du front d'onde réalisé à partir de plusieurs antennes permet de discriminer les sources dans le domaine spatial, et cela quels que soient les retards des multi-trajets. Cette thèse a donc pour objectif de définir des méthodes de réjection des multi-trajets qui tirent partie de la dimension des directions d'arrivées (DOA) apportée par un réseau d'antenne. Le cahier des charges impose que le réseau utilisé soit de petite taille (typiquement réseau carré 2×2), et demande un algorithme robuste aux défauts technologiques. Inspiré des méthodes de réjection d'interférence, les premières solutions proposées ont été les techniques d'antennes adaptatives afin de filtrer spatialement les multi-trajets Cependant, en raison de la petite taille du réseau ainsi que de la corrélation intrinsèque entre les multi-trajets et le signal direct, ces méthodes ont rapidement été mises en défaut. En particulier, les multi-trajets spatialement proches du trajet direct restent toujours problématiques. Afin de tirer partie de la dimension spatiale apportée par un réseau d'antennes et sans être trop dépendant de l'espacement angulaire entre les sources, nous avons choisi de joindre à l'estimation des DOA, l'estimation des retards et fréquences Doppler de chaque trajet reçu. L'algorithme SAGE, issu de la théorie du maximum de vraisemblance, a été utilisé afin d'estimer de façon jointe les paramètres des sources. De plus, nous avons proposé une nouvelle implémentation de SAGE qui permet de réduire d'un facteur 500 la complexité de l'algorithme tout en conservant les mêmes performances d'estimation. Les simulations ont montré une nette amélioration de la réjection des multi-trajets par rapport aux méthodes mono-antenne et multi-antennes adaptatives, tout en conservant une complexité calculatoire raisonnable. Cette méthode a fait l’objet d’un brevet. Nous avons ensuite étudié l'influence des défauts technologiques (couplage, défaut de chaîne RF …), numériques (quantification) et des défauts intrinsèques à l'algorithme SAGE (estimation du nombre de multi-trajets) sur les performances d'estimation, et proposé différentes méthodes de compensation. Nous retiendrons que des filtres FIR ont été utilisés pour compenser les défauts large bande de la chaîne RF, et que le couplage peut être estimé à partir de la connaissance des DOA des signaux utiles. Les simulations ont montré qu'avec ces méthodes de compensation, l'algorithme SAGE affichait des performances très proches de celles dans le cas parfait (sans défaut). Un algorithme d'estimation du nombre de multi-trajets a aussi été proposé, et les résultats en simulation dynamique (en utilisant des modèles de canal existants) ont montré une bonne adaptation aux différentes situations. Pour finir, il est important de noter que les outils développés durant cette thèse peuvent être utilisés dans le cadre de l'étude du canal de propagation des signaux GNSS, en identifiant et estimant les multi-trajets susceptibles de perturber l'estimation de la position du récepteur.

Cette thèse traite de la diffusion par des surfaces rugueuses monodimensionnelles. Les surfaces présentant des petites échelles de variations nécessitent une discrétisation fine pour représenter les effets de diffusion sur le champ diffracté, ce qui augmente les coûts numériques. Deux aspects sont considérés : la réduction de la taille du problème en construisant une condition aux limites équivalente traduisant les effets des variations rapides et la réduction du nombre d’itérations nécessaires pour résoudre le système linéaire issu de la méthode des moments par une méthode basée sur les sous-espaces de Krylov. En ce qui concerne la réduction de la taille du problème, une technique d’homogénéisation est utilisée pour transformer la condition aux limites posée sur la surface rugueuse par des paramètres effectifs. Ces paramètres sont déterminés par des problèmes auxiliaires qui tiennent compte des échelles fines de la surface. Dans le cas de surfaces parfaitement métalliques, la procédure est appliquée en polarisation Transverse Magnétique (TM) et Transverse Électrique (TE). Une impédance équivalente de Léontovich d’ordre 1 est déduite. Le procédure est automatique et les ordres supérieurs sont dérivés pour la polarisation TM. La procédure d’homogénéisation est aussi appliquée pour des interfaces rugueuses séparant deux milieux dielectriques. En ce qui concerne la réduction du nombre d’itérations, un préconditionneur, basé sur des considérations physiques, est construit à partir des modes de Floquet. Bien que le préconditionneur soit initialement élaboré pour des surfaces périodiques, nous montrons qu’il est aussi efficace pour des surfaces tronquées éclairées par une onde plane. L’efficacité des deux aspects présentés dans cette thèse est numériquement illustrée pour des configurations d’intérêt.

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.

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).

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.