La transmission radioélectrique à longue distance dans la bande HF permet de couvrir de vastes zones géographiques à l’aide d’infrastructures légères et mobiles. Elle est donc bien adaptée pour établir des communications lors d’opérations militaires ou pour le déploiement rapide d'un réseau de communication agile lors d'opérations humanitaires. Dans ce contexte, il est important de pouvoir localiser les émetteurs inconnus par l’analyse des signaux électromagnétiques de communication. L’objectif de la thèse est de développer une technique de géolocalisation alternative et complémentaire, intitulée Time Difference of Arrival (TDoA), qui a rarement été étudiée dans le cas de la propagation ionosphérique. Dans un premier temps, l'algorithme de géolocalisation HF basé sur la technique TDoA est adapté et optimisé par des simulations paramétriques. Les résultats de simulation montrent que l'augmentation du nombre de récepteurs entraîne une amélioration significative de la précision de géolocalisation. Afin d'étudier la faisabilité de mise en oeuvre d'un système de géolocalisation HF basé sur la technique TDoA, plusieurs récepteurs HF pilotable à distance ont été développés à partir de modules de radio logicielle, et un réseau national de récepteurs a été déployé en France. Un concept original de sondage de canal croisé est proposé et décrit mathématiquement. Il permet d’évaluer les différences de durée de propagation entre les signaux reçus sur deux récepteurs synchronisés distincts. Les résultats expérimentaux collectés montrent qu'il est possible de localiser les émetteurs HF dans des conditions favorables avec une erreur de géolocalisation relative comprise entre 0,1 et 10% de la distance réelle au sol. Les données collectées lors de la campagne de mesure sont analysées de manière statistique afin d’évaluer la performance de l'algorithme de géolocalisation et de définir les paramètres les plus pertinents à prendre en compte pour déployer cette technique dans une approche opérationnelle. / Long-range radio transmission in the HF band can cover large geographical areas using light and mobile equipment. It is therefore well suited for communications during military operations orfor the rapid deployment of an agile communication network during humanitarian operations. In this context, it is important to determine the geographic location of the transmitters by analyzing the electromagnetic communication signals. The aim of the thesis is to develop an alternative, complementary geolocation technique, entitled Time Difference of Arrival (TDoA) that has rarely been studied in the case of ionospheric propagation. As a first step, HF geolocation algorithm based on TDoA is setup and analyzed by parametric software simulations. Simulation results demonstrate that increasing the number of receivers leads to a significant improvement in the geolocation accuracy. In order to study the feasibility of a practical HF geolocation system based on TDoA, multiple remotely controllable HF receivers are designed using software defined radio (SDR) modules and a country wide operational receiver network is deployed in France. A concept of cross-channel sounding along with its mathematical description is proposed to evaluate the propagation duration differences between the signals captured by two distinct receivers. Preliminary experimental results show that it is possible to locate the HF transmitters under favorable conditions with a relative geolocation error ranging from about 0.1 to 10% of the actual ground distance. Data captured during the large scale measurement campaign are analyzed statistically to evaluate the performance of the geolocation algorithm and define parameters that could be considered in an operational approach.

Le but de cette thèse est l'étude et la mise en oeuvre d'un système de localisation sous-marine compact et simple à mettre en place pour une utilisation en zones portuaires, côtières et environnements peu profonds. Nous proposons un système SBL (Small Distance Baseline) avec un nombre réduit de transducteurs (une balise d'émission et deux hydrophones). La configuration géométrique du système étant contraignante (hydrophones proches) la précision du positionnement obtenue par les méthodes classiques est faible. Nous proposons une nouvelle méthode de localisation améliorant la précision. La balise à localiser émet un signal à étalement de spectre. La différence de distance entre les trajets des signaux des hydrophones est mesurée par corrélation. Nous proposons deux boucles de poursuites pour l'estimation conjointe de la fréquence Doppler et du délai entre les signaux reçus. Ces techniques de poursuite basées sur un filtre de Kalman sont implémentées en boucle fermée et ouverte. Les observations TDOA (Time Difference Of Arrival) conduisent à utiliser une technique de localisation hyperbolique. Nous proposons une représentation statistique qui exploite la géométrie de notre système de mesure pour déterminer une zone de localisation probable autour de chaque hyperbole. En utilisant des positions de bateau successives, on construit une densité de probabilité dont le maximum définit la position de la balise. On montre sur données synthétiquesque pour un bruit de mesure réaliste, il est possible de déterminer la position de la balise avec une précision submétrique. Les expérimentations réelles confirment la faisabilité du système et la précision obtenue est dans ce cas métrique. / The purpose of that thesis work is the research and implementation of a compact and simple underwater localization system that aim to be used in ports, coastal areas and other low-depth environments. Our system is SBL (Small Distance Baseline), with a small number of transceivers (only one emitter and two hydrophones). Due to the system's geometric configuration not being optimal (both hydrophones are close to one another), the precision obtained using classical approaches is poor. We therefore propose a new localization approach that will improve it. The emitter we wish to localize emit a spread spectrum signal. The time difference of arrival (TDOA) between the two hydrophones is then determined using correlations methods. We propose in our work two tracking loops that will estimate both the delay and the doppler frequency between the signals. Using a Kalman filter , those methods are implemented respectively in open and close loop. From each TDOA measurement, we can calculatea hyperbolic area of possible emitter location. We thus use a statistical model which takes into account the local geometry of our measurements system in order to create a probable localization area around each hyperbole. By using the measurements at several different boat positions, we create a probability density whose maximum will be centered around the emitter's position. We show that, on simulated data, it is possible to localize the beacon with a precision beneath a meter with a realistic noise level. Experimental work and real data collection confirm that the method can in that context achieve the same result with a precision of a few meters.