Les avancées récentes dans le domaine de navigation par satellites (GNSS) ont conduit à une prolifération des applications de géolocalisation dans les milieux urbains. Pour de tels environnements, les applications GNSS souffrent d’une grande dégradation liée à la réception des signaux satellitaires en lignes indirectes (NLOS) et en multitrajets (MP). Ce travail de thèse propose une méthodologie originale pour l’utilisation constructive des signaux dégradés MP/NLOS, en appliquant des techniques avancées de traitement du signal ou à l’aide d’une assistance d’un simulateur 3D de propagation des signaux GNSS. D’abord, nous avons établi le niveau maximal réalisable sur la précision de positionnement par un système GNSS "Stand-Alone" en présence de conditions MP/NLOS, en étudiant les bornes inférieures sur l’estimation en présence des signaux MP/NLOS. Pour mieux améliorer ce niveau de précision, nous avons proposé de compenser les erreurs NLOS en utilisant un simulateur 3D des signaux GNSS afin de prédire les biais MP/NLOS et de les intégrer comme des observations dans l’estimation de la position, soit par correction des mesures dégradées ou par sélection d’une position parmi une grille de positions candidates. L’application des approches proposées dans un environnement urbain profond montre une bonne amélioration des performances de positionnement dans ces conditions.

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.

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.

Dans cette thèse de doctorat, nous nous intéressons à l'estimation robuste de la phase de la porteuse en utilisant le filtrage bayésien variationnel. La mesure de la phase porteuse est devenue une tâche fondamentale dans de nombreuses applications d'ingénierie telles que le positionnement précis dans le domaine du GNSS. Malheureusement, les mesures de phase obtenues par les techniques traditionnelles de poursuite de phase peuvent être fortement mises à mal par la présence de sauts de phase ambigus, appelés sauts de cycle. Ces derniers peuvent durement impacter les performances des algorithmes de poursuite conduisant, dans le pire des cas, à une perte permanente de verrouillage du signal. Un processus de ré-acquisition est alors nécessaire qui affecte les performances de suivi. Par conséquent, pour résoudre ce problème, nous proposons un filtre non linéaire robuste de poursuite de phase basé sur l'inférence de Bayes variationnelle. Tout d'abord, l'algorithme est développé en supposant une dynamique lente de phase (c'est-à-dire la boucle au premier ordre), puis, son ordre est augmenté en estimant un vecteur d'état formé par la phase et ses dérivées. Les performances de ce nouvel algorithme sont comparées avec celles de techniques conventionnelles (tels que la DPLL (Digital Phase Lock Loop) et la KF (Kalman Filter)-DPLL) en terms de précision d'estimation et d'occurence de sauts de cycle. La comparaison est d'abord effectuée à l'aide de données synthétiques, puis de données GNSS réelles dans un récepteur radio logicielle GNSS. Les résultats montrent que la méthode proposée a de meilleures performances par rapport aux filtres linéaires conventionnels, lorsque le rapport signal sur bruit est faible.

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.

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.

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.

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.

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.