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 Compatibilité ElectroMagnétique (CEM), la connaissance du niveau d’immunité ou de susceptibilité d’un équipement embarqué est un paramètre important à contrôler et à gérer tout au long de sa durée de vie. En particulier, lors des opérations de maintenance de cet équipement, il est important de veiller au maintien de son niveau de susceptibilité pour garantir son fonctionnement. Pour répondre à ce besoin, les travaux de cette thèse proposent une méthode expérimentale originale de contrôle rapide et facile à mettre en œuvre dans le cas d’essais de susceptibilité rayonnée en haute fréquence. Cette méthode est basée sur l’observation de fréquences harmoniques rayonnées par un équipement lorsque celui-ci est soumis une illumination parfaitement monochromatique en haute fréquence. Pour cela, on fait l’hypothèse que l’amplitude de ces fréquences est d’autant plus grande que l’équipement électronique est en dysfonctionnement. Pour vérifier cette hypothèse, un dispositif expérimental adapté à une illumination en CRBM a tout d’abord été développé et étudié afin de mettre en œuvre cette méthode. Ensuite, après avoir mis en évidence sur plusieurs configurations de cartes électronique l’observation d’harmoniques, nous nous sommes intéressés à une modélisation du phénomène physique pour vérifier celui-ci par la simulation. A ce titre, une modélisation FDTD des expériences a été réalisée en 3D et une comparaison mesures/calcul a été effectuée. Ce travail a permis de montrer qu’à partir du modèle théorique des équations de Maxwell, des harmoniques identiques à celles mesurées étaient rayonnées et que la méthode de contrôle de susceptibilité rayonnée que nous proposions était donc tout à fait viable. Concernant la phase de modélisation, nous nous sommes intéressés essentiellement à représenter le fonctionnement du circuit logique et non à entrer finement dans le détail de chaque composant électronique le constituant. Pour les applications retenues, nous avons donc porté notre effort sur la prise en compte d’un signal numérique représenté sous forme d’une suite de bits, ainsi que sur l’introduction dans le modèle FDTD de Maxwell de quelques composants non linéaires comme la diode et un inverseur CMOS. La généralisation du modèle d’inverseur peut s’appliquer sans difficultés à d’autres composants CMOS, comme les mémoires de type SRAM que nous avons étudiées expérimentalement.

Les travaux de cette thèse concerne l’étude d’une méthode élément finis d’ordre spatial élevé que l’on peut assimilé à une extension du schéma de Yee. On parle alors de méthode différences finies d’ordre élevé. Après avoir donné, dans un premier chapitre, un historique non exhaustif des principales méthodes utilisées pour résoudre les équations de Maxwell dans le cadre de problèmes de CEM et montré l’ intérêt de disposer d’un solveur de type "différences finies d’ ordre élevé", nous pésentons dans un deuxième chapitre le principe de la méthode. Nous donnons pour cela les caractéristiques du schéma spatial et temporel en précisant les conditions de stabilité de la méthode. En outre, dans une étude purement numérique, nous étudions la convergence du schéma. On se focalise ensuite sur la possibilité d’utiliser des ordres spatiaux variable par cellules dans chaque direction de l’espace. Des comparaisons avec le schéma de Yee et un schéma de Galerkin Discontinu particulier sont ensuite effectuées pour montrer les gains en coûts calcul et mémoire et donc l’intérêt de notre approche par rapport aux deux autres. Dans un troisième chapitre, nous nous intéressons à l’étude de modèles physiques indispensable au traitement d’un problème de CEM. Pour cela, nous nous focalisons particulièrement sur un modèle de fil mince oblique, des modèles de matériaux volumiques et minces et enfin sur la prise en compte de sol parfaitement métallique dans une agression de type onde plane. Chaque modèle est détaillé et validé par comparaison avec des solutions analytiques ou résultant de la littérature, sur des exemples canoniques. Le quatrième chapitre est dédié à une technique d’hybridation entre notre méthode et une approche Galerkin Discontinu en vue de traiter des géométries possédant des courbures. Nous donnons pour cela une stratégie d’hybridation basée sur l’échange de flux qui garantie au niveau continue la conservation d’une énergie. Nous présentons ensuite quelques exemples montrant la validité de notre approche dans une stratégie multi-domaines/multi-méthodes que nous précisons. Enfin le dernier chapitre de cette thèse concerne l’exploitation de notre méthode sur des cas industriels en comparaisons avec d’autres méthodes ou des résultats expérimentaux.

Dans ce mémoire, nous présentons une stratégie basée sur une approche hybride dans le domaine temporel, couplant une méthode de résolution des équations de Maxwell dans le domaine 3D (FDTD) avec une méthode de résolution des équations de ligne de transmission, afin de pouvoir simuler des problèmes électromagnétiques de grande échelle. Le mémoire donne les éléments d’hybridation pour deux cadres d’utilisation de cette approche : une approche multi-domaine et une approche multi-résolution ou d’échelle. L’approche multi-domaine est une extension de la méthode FDTD 3D à plusieurs sousdomaines reliés par des structures filaires sur lesquelles on résout une équation de lignes de transmission par un formalisme FDTD 1D. La difficulté est d’abord d’avoir une définition implicite du champ électromagnétique dans la théorie des lignes de transmission, et d’autre part de prendre en compte les effets du sol sur les courants induits au niveau des lignes et sur les champs électromagnétiques. L’approche multi-résolution ou d’échelle est conçue pour étendre les capacités de la méthode FDTD au traitement du routage de câbles complexes ayant une section plus petite que la taille de la cellule. Ce mémoire présente différentes techniques pour évaluer les paramètres de la ligne, basées sur la résolution d’un problème de Laplace 2D, ainsi qu’une méthode de couplage champs/câbles basée sur le courant de mode commun. L’ensemble de ce travail nous a permis de proposer une méthode numérique efficace pour calculer les effets électromagnétiques induits par une source (type onde plane ou dipolaire) sur des sites de grande dimension, composés de plusieurs bâtiments reliés entre eux par un réseau de câbles. Dans ce cadre une application à la foudre a été réalisée.

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’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.

Dans les bandes Ka (20-30 GHz) et Q/V (40-50 GHZ) utilisées par les nouveaux systèmes de télécommunications par satellite, les pertes dues à la propagation dans l'atmosphère sont plus élevées que dans les bandes conventionnelles (Ku (12-14 GHz)) et provoquent une dégradation de la disponibilité des communications. Il est donc nécessaire d'avoir recours à des techniques de compensations des affaiblissements (FMT : Fade Mitigation Techniques) activées en temps réel par une boucle de contrôle en fonction des conditions de propagation. Le paramétrage et la validation de ces algorithmes nécessitent une bonne connaissance de la dynamique du canal de propagation et requièrent l'utilisation de séries temporelles d'affaiblissements atmosphériques. En particulier, il est nécessaire de disposer de modèles dynamiques capables de générer des séries temporelles d'atténuation due à la pluie et de scintillation troposphérique représentatives d’une liaison donnée en bande Ka ou Q/V. Dans un premier temps, un état de l'art des modèles caractérisant la dynamique du canal de propagation en bande Ka ainsi que des générateurs de séries temporelles d’atténuation due à la pluie et de scintillation a été réalisé. La deuxième partie de cette activité de recherche a été dédiée au développement d’une méthodologie globale de validation des modèles dynamiques d’atténuation due à la pluie. Un premier volet reposé sur les critères classiques d’analyse des modèles statistiques de prédiction. Le second est une méthode innovante faisant intervenir une Analyse en Composantes Principales et le calcul de la distance de Mahalanobis associée à une base de données expérimentale d’événements d’atténuation. La troisième partie des travaux de recherche a porté sur le développement de générateurs de séries temporelles d’atténuation due à la pluie. En premier lieu, le modèle « ONERA-CNES » a été consolidé et amélioré, et deux nouveaux générateurs de séries temporelles ont été développés afin de permettre aux utilisateurs de commander certaines caractéristiques des événements synthétisés (modèles dits « on-demand »). La représentativité de ces modèles et d’autres modèles existant a été évaluée à l’aide de la méthodologie de validation développée. La dernière partie de la thèse a été consacrée à l'analyse des fluctuations rapides du canal de propagation et à l'élaboration d’un générateur de séries temporelles combinant atténuation due à la pluie et scintillation.

Cette thèse présente l'étude du radar subsurface haute résolution pour la détection d'objets enfouis dans le sol. L'outil radar qui a été développé est un système à saut de fréquence Ultre-Large Bande. C'est un type spécial de GPR (radar à pénétration de sol) qui délivre des images radar à haute résolution du proche sous-sol. La combinaison d'une bande de fréquence ultra-large (ULB) et d'un traitement du signal à ouverture synthétique permet d'atteindre une résolution spatiale de moins de 10 cm, même dans une configuration "éloignée" où les antennes sont séparées du sol de plusieurs dizaines de centimètres. L'utilisation initiale du système est la détection de mines et le radar est spécialement optimisé pour cette application qui a été étudiée dans notre laboratoire ONERA. Dans un premier temps, nous évaluons les pertes qui sont subies par les ondes électromagnétiques lorsqu'elles se propagent dans le sol après avoir passé en revue les différents modèles de permittivité des sols trouvés dans la littérature. Le deuxième chapitre développe en détail la méthode de traitement d'ouverture synthétique pour le radar subsurface, qui est originale en prenant en compte les aspects champ proche, ULB et propagation dans le sol. Les formes temporelle et fréquentielle de l'algorithme SAR pour GPR sont expliquées. Puis nous développons un modèle de signal radar pour les objets enfouis, basé sur l'optique physique. Ce modèle donne de bons résultats quand il est appliqué à des mines. Les résultats sont comparés à ceux donnés par un calcul exact utilisant les équations de Maxwell. Nous traitons aussi la réalisation de l'outil de mesure, avec la spécification et la caractérisation d'antennes ULB. Le traitement du signal, dévolu à l'augmentation de la résolution et la diminution du niveau d'artefact provenant de l'interface air-sol est décrit. Des mesures, faites sur le site de test du TNO (Pays-Bas) montrent cairement la possibilité de détecter des mines antichar (fréquences de 500 MHz à 5 GHz) et même des mines antipersonnel affleurantes en augmentant la bande de fréquence jusqu'à 8 GHz. En conclusion, ce travail a permis des avancées significatives dans le domaine de la détection de mines par radar, et pourrait avoir des retombées dans un domaine génie civil.

L'objectif de ce travail de recherche est d'analyser l'intérêt de concevoir et d'introduire des techniques de compensation des affaiblissements de propagation pour améliorer les performances des systèmes de télécommunications par satellite fonctionnant aux fréquences supérieures à 20 GHz et fournir une disponibilité de service suffisante du point de vue de l'utilisateur. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle méthodologie est développée afin d'optimiser la conception de ces techniques de compensation en prenant en compte la dynamique du canal de propagation grâce à l'introduction de séries temporelles de propagation. Dans un premier temps, un recensement des caractéristiques du canal de propagation dans les bandes de fréquence Ka et V est réalisé. En particulier, les propriétés statistiques de la dynamique du canal dans ces bandes de fréquences sont décrites : vitesses de variation, durée des affaiblissements et similitude en fréquence. Ensuite, un état de l'art des techniques de compensation des affaiblissements adaptées aux systèmes de télécommunication par satellite est réalisé : d'une part par un recensement des méthodes envisageables et d'autre part par l'étude de l'implémentation de ces techniques au niveau de terminaux utilisateurs. L'influence sur les couches réseau est étudiée, de même que sur les différents types de service. La mise en place de ces techniques est alors étudiée via la conception et la mise au point d'une boucle de contrôle qui doit assurer trois fonctions différentes : la détection de l'état du canal, la prédiction temps réel de l'évolution de son état au cours du temps et la décision de lancer ou non une technique de compensation. L'architecture d'une boucle de contrôle de FMT incluant une méthode de compensation de la scintillation est proposée, résultat d'un processus d'optimisation des différents paramètres internes de la boucle. Enfin, l'influence du canal de propagation en bande Ka est étudiée sur l'interface-air du concept de système GEOCAST. Après avoir défini les techniques de compensation utilisables pour GEOCAST, des prédictions sont réalisées à l'aide de modèles statistiques conventionnels de manière à estimer la disponibilité due au canal de propagation. Les performances du système sont alors évaluées en terme de disponibilité, de nombre de commutations entre états du système ou de capacité, à travers l'introduction de séries temporelles de propagation mesurées lors de la campagne Olympus.