La miniaturisation d’antenne est un défi important, en particulier en bande VHF où les longueurs d’onde sont grandes. Parmi les différentes techniques rencontrées dans la littérature, une approche théorique originale repose sur l’utilisation de la résonance électrostatique de sphères sub-longueur d’onde de permittivité négative (ENG pour Epsilon NeGative). L’implémentation pratique de cette solution en considérant une décharge plasma comme milieu ENG est étudiée dans ces travaux de thèse. Le plasma laisse entrevoir des potentialités intéressantes pour ce type d’antennes miniatures comme la furtivité et la reconfigurabilité en fréquence. Dans un premier temps, différents modèles analytiques sont développés afin étudier le comportement électromagnétique de petites sphères réalistes de plasma. Ces modèles permettent par ailleurs la construction de schémas numériques précis et adaptés aux simulateurs électromagnétiques commerciaux. Dans un second temps, un prototype fonctionnel est méthodiquement conçu. La solution proposée permet l’intégration du système d’excitation de la décharge plasma au sein de l’antenne sans en perturber son fonctionnement nominal. Ce prototype permet la caractérisation des paramètres plasma de la décharge et du comportement électromagnétique du résonateur sphérique à plasma. Enfin, un travail annexe d’intégration de décharges plasma dans des circuits planaires en technologie micro-ruban est présenté. Les conceptions, modélisations et caractérisations expérimentales de ces résonateurs planaires permettent de mettre en évidence les capacités du plasma pour leur accordabilité en fréquence.

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.

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.

La thèse a pour but de développer des algorithmes robustes de poursuite de phase multifréquence en environnement dégradé. L’objectif est d’élaborer de nouvelles structures pouvant opérer à des niveaux de rapport signal à bruit inférieurs aux limites des algorithmes actuellement implémentés dans des récepteurs grand public. Les problèmes de robustesse des algorithmes d’estimation de phase étant en grande partie causés par le phénomène de sauts de cycle, les différents axes de recherche se sont focalisés sur des nouvelles approches de développement de phase au sein des structures de poursuite. Pour ce faire, deux approches ont été étudiées et testées. Dans un premier temps, deux structures de poursuite monofréquence basées sur une DPLL conventionnelle ont été développées. Ces structures disposent d’un système externe de développement de phase visant à prédire et pré-compenser la sortie du discriminateur grâce à l’analyse des sorties du discriminateur ou des sorties du filtre de boucle. La réduction de la dynamique à estimer va alors permettre de réduire l’apparition des sauts de cycle se produisant au niveau du discriminateur. Par la suite, ce système de développement de phase a été adapté à la poursuite de phase multifréquence. Grâce à l’exploitation de la diversité en fréquence offerte par les signaux de navigation (i.e., de la proportionnalité des fréquences Doppler), il a été possible de mettre en place une étape de fusion de données qui a permis d’améliorer la précision de la prédiction de la sortie du discriminateur et donc d’améliorer la robustesse de la structure. Dans un second temps, les travaux de recherche se sont axés sur une nouvelle approche de poursuite de phase et de correction du phénomène de sauts de cycle basée sur une technique de filtrage Bayésien variationnel. Toujours en exploitant la diversité en fréquence des signaux de navigation, cette méthode suppose un modèle de dynamique de phase Markovien qui va imposer une certaine continuité de l’estimation et va permettre de fournir une estimation de phase développée.