Global Navigation Satellite Systems (GNSS) for vehicle navigation and timing are widely relied upon by many users in a variety of different sectors such as transit, financial, military, and many others. There are a number of ways for an agent to purposefully degrade a GNSS user's navigation performance. One such attack is a spoofing attack where the agent transmits signals with the same signal structure as GNSS signals, but they are modified to produce an incorrect navigation solution. Resiliency to these attacks is important for GNSS navigation. Two methods for GNSS resiliency are explored in this dissertation. The first method uses a Controlled Reception Pattern Antenna and receiver in order to obtain direction of arrival estimates of all visible signals and their computed pseudoranges. Two contributions were produced for this method. The first contribution is an optimization of a DoA cost metric that use DoA estimates along with known GNSS ephemerides to distinguish authentic signals from spoofed signals. The second contribution of this work is a combined DoA/pseudorange cost metric to improve the classification of authentic signals from spoofed signals as well as improve its robustness to multi-transmitter spoofing attacks. The second method uses a method known as Chimera, which involves authenticating the civilian L1C GPS signal using a digital signature in the navigation message and punctures in the spreading code. This method can be used to distinguish authentic and spoofed signals, however, a delay between the time the signal is tracked by the receiver and the time when it can be determined authentic is inherent in Chimera and degrades navigation performance. This delay can range from 2 seconds to 3 minutes. Four additional contributions have been made in support of Chimera. The first Chimera contribution is the design and evaluation of a navigation system for Chimera using a tightly coupled GPS/INS extended SRIF that accounts for the Chimera authentication delays. The second Chimera contribution is an investigation into staggering of the authentication times of the GPS satellites in order to improve navigation results. The third Chimera contribution is the development of a RMS or maximum steady-state position error metric to compare the accuracy achieved by different authentication group designs when used in conjunction with the previously discussed filter from the first Chimera contribution. The fourth Chimera contribution investigates different authentication group designs to find groups that will produce low value metrics. These investigations included local authentication group optimization, synthesizing a global design using local designs, and the effects of time and IMU grade. Each of these contributions has a significant impact on improving either the resilience of a GPS receiver to spoofing or the navigation accuracy of a GPS receiver that is inherently resilient to spoofing. / Doctor of Philosophy / Global Positioning System (GPS) navigation and timing plays a pivotal role in a variety of different sectors such as transit, financial, military, and many others. There have been instances where a signal is purposefully generated to look similar to a GPS signal in order to mislead a GPS user of their true position, velocity, and timing. This type of attack is known as a spoofing attack. This dissertation discusses two methods to identify these spoofed signals so that they are not used to disrupt nominal navigation and timing. The first method uses multiple GPS antennas to determine the direction of all visible signals. This dissertation provides an algorithm to distinguish the authentic GPS signals from the spoofed signals using the determined signal directions. The second method is for the GPS satellites to watermark the GPS signal they transmit, using modern encryption techniques, to be able to authenticate incoming signals. This method, however, produces a delay between when the signal is received by a GPS user and when it can be deemed authentic. This delay is a problem for navigation. This dissertation develops techniques for dealing with this delay by incorporating an Inertial Measurement Unit (IMU). This dissertation also proposes the idea to stagger the time that the digital signature, which is needed for signal verification, is sent from different GPS satellites. Lastly, this dissertation investigates how different staggered groupings of GPS satellites improve navigation performance and provides a metric for quantifying the navigation performance of different groupings. Overall, the dissertation's contributions to the first method improve the resilience of a receiver to spoofing attacks while the contributions to the second method improve navigation performance of an inherently resilient method.

Les systèmes de navigation par satellite sont connus pour être sensibles aux interférences. Cette thèse étudie les techniques d'antennes adaptatives comme une solution au problème du brouillage des signaux militaires (GPS et Galileo) par des interférences de forte puissance et à grande occupation spectrale. L'objectif est de réaliser, à terme, une antenne réseau indépendante du récepteur de radionavigation, ce qui nous a rapidement conduit à privilégier les systèmes MISO.<br />Divers algorithmes de traitement ont été évalués sur plusieurs géométries de réseau. Nous avons mis en évidence que le SINR moyen de sortie du réseau n'est pas représentatif des performances d'un récepteur de radionavigation. Un critère de sélection des méthodes, basé sur la précision finale de localisation, a donc été défini. Nous avons montré que, selon ce critère, la connaissance a priori des DOA ne permet pas forcément de gain de traitement avec un système MISO. La stabilité de la réponse des réseaux a également été étudiée, nous conduisant finalement à restreindre notre étude aux méthodes aveugles de minimisation de puissance sous contrainte linéaire. <br />Nous avons ensuite caractérisé les principaux défauts de la chaîne RF (dus aux dispersions de fabrication des capteurs et des filtres analogiques, et au couplage inter-capteurs) et en avons évalué l'impact sur les performances des filtres spatiaux. Physiquement, comme l'effet large bande, les défauts du réseau se traduisent par une augmentation du nombre de degrés de liberté consommés par un signal de forte puissance. Le traitement Spatio-Temporel (STAP) constitue une solution possible à cette augmentation du rang du sous-espace interférent car il permet d'accroitre le nombre de degrés de liberté disponibles, sans augmenter la taille du réseau. Cependant, la composante fréquentielle du filtrage STAP peut dégrader les performances du corrélateur d'un récepteur GNSS générique. Aussi, avons-nous défini un nouveau critère de performance, adapté au traitement des signaux GNSS. Nous avons ainsi pu écrire le filtre STAP optimal et nous en avons déduit une version simplifiée qui constitue un bon compromis performances - complexité.<br /> Globalement, le réseau STAP ne permet pas de gain de traitement sur la puissance utile transmise au récepteur mais il permet de mieux rejeter les signaux interférents de forte puissance en présence de défauts linéaires de chaîne.

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Cette th��se propose une nouvelle impl��mentation de "l'approximation de la phase al��atoire avec polarisation contrainte" (constrained Random Phase Approximation, cRPA). Notre impl��mentation repose sur la th��orie de la fonctionnelle de la densit��, d��velopp��e dans une base d'ondes planes augment��es (linearized augmented plane wave, LAPW). Cette m��thode, appliqu��e �� des mat��riaux fortement corr��l��s, permet de calculer de facon r��aliste la matrice d'interaction coulombienne effective, qui pourra ��tre trait��e par la suite au moyen de l'approche �� N-corps souhait��e. En particulier, les valeurs de l'interaction de Hubbard, U , et de l'��change de Hund, J, sont d��termin��es de mani��re ab initio, ainsi que leur d��pendance en fr��quence qui r��sulte des effets dynamiques de l'��crantage. Comme dans la th��orie du groupe de renormalisation de Wilson, l'interaction coulombienne effective d��pend du choix du sous-espace corr��l�� pour lequel est construit un Hamiltonien effectif de basse ��nergie, alors que les valeurs des observables physiques n'en d��pendent pas. Afin de g��n��raliser la cRPA aux mat��riaux dont la structure ��lectronique exhibe des or- bitales corr��l��es et itin��rantes intriqu��es, une m��thode bas��e sur la projection sur le sous-espace corr��l�� est ��galement introduite. Diff��rentes classes de mat��riaux sont envisag��es comme applications : i) pnictures �� base de fer, LaOFeAs et BaFe2As2, et chalcog��nides, FeSe (Chapitre 6), ii) m��taux de transition 3d afin de valider notre m��thode de projection (Chapitre 6), iii) oxydes de m��taux de transition p��rovskites, SrMO3 (M = V, Cr, Mn, Nb, Mo, Tc), et p��rovskites en couches, Sr2MO4 (M = Mo, Tc, Ru, Rh) (Chapitre 7). L'Hamiltonien d'interaction cRPA est ��galement coupl�� �� la th��orie du champ moyen dynamique (LDA+cRPA+DMFT) afin de d��crire l'isolant de Mott induit par le couplage spin-orbite, Sr2IrO4, et le pigment �� base de terre rare, CeSF (Chapitre 8).

Cette thèse propose une nouvelle implémentation de "l'approximation de la phase aléatoire avec polarisation contrainte" (constrained random phase approximation, cRPA). Notre implémentation repose sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, développée dans une base d'ondes planes augmentées (linearized augmented plane wave, LAPW). Cette méthode, appliquée à des matériaux fortement corrélés, permet de calculer de facon réaliste la matrice d'interaction coulombienne effective, qui pourra être traitée par la suite au moyen de l'approche à N-corps souhaitée. En particulier, les valeurs de l'interaction de Hubbard, U , et de l'échange de Hund, J, sont déterminées de manière ab initio, ainsi que leur dépendance en fréquence qui résulte des effets dynamiques de l'écrantage. Comme dans la théorie du groupe de renormalisation de Wilson, l'interaction coulombienne effective dépend du choix du sous-espace corrélé pour lequel est construit un Hamiltonien effectif de basse énergie, alors que les valeurs des observables physiques n'en dépendent pas. Afin de généraliser la cRPA aux matériaux dont la structure électronique exhibe des orbitales corrélées et itinérantes intriquées, une méthode basée sur la projection sur le sous-espace corrélé est également introduite. Différentes classes de matériaux sont envisagées comme applications : i) pnictides à base de fer, LaOFeAs et BaFe2As2, et chalcogénides, FeSe (Chapitre 6), ii) métaux de transition 3d afin de valider notre méthode de projection (Chapitre 6), iii) oxydes de métaux de transition pérovskites, SrMO3 (M = V, Cr, Mn, Nb, Mo, Tc), et pérovskites en couches, Sr2MO4 (M = Mo, Tc, Ru, Rh) (Chapitre 7). L'Hamiltonien d'interaction cRPA est également couplé à la théorie du champ moyen dynamique (LDA+cRPA+DMFT) afin de décrire l'isolant de Mott induit par le couplage spin-orbite, Sr2IrO4, et le pigment à base de terre rare, CeSF (Chapitre 8).

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