Den svenska marinen likväl som världens handels sjöfart nyttjar alltmer satellitnavigering för sin positionering. Enligt totalförsvarets forskningsinstitut kan sådana system störas med förhållandevis enkla medel. Nu när den svenska marinen alltmer engagerar sig i insatser utomlands mot irreguljära motståndare väcks frågan om hur en irreguljär motståndare kan påverka den svenska marinen och den svenska marinens taktik. I denna uppsats kommer frågor kring en irreguljär motståndares förmåga att påverka GNSS att ställas. Samt frågan om vilken påverkan detta har för såväl den svenska marinens fartyg som handelssjöfarten. Uppsatsen kommer även att behandla möjligheterna till skydd mot störning samt hur den svenska marinens taktik kommer påverkas om en irreguljär motståndare försöker störa ut GNSS-system. / The Swedish Navy as well as the worlds shipping industries use more and more satellite navigation for positioning purposes. According to the Swedish Defence Research Agency, those types of systems can relatively easily and at a low cost be jammed. With the Swedish Navy becoming more and more involved in missions overseas against insurgents, the question is whether an insurgent can affect the Swedish Navy and its tactics. This paper investigates the questions about what opportunities an insurgent have to affect the GNSS-system and how that can affect the Swedish Navyas well as the shipping industries. This paper is also about how the tactics of the Swedish Navy will be affected if an insurgent attempts to jam the GNSS-systems and the possibility of protection against jamming.

Eine der zentralen Aufgaben der Geodäsie liegt in der Definition und der Realisierung von geeigneten Referenzsystemen. Die Realisierung eines globalen terrestrischen Referenzsystems wird als Referenzrahmen bezeichnet und ist durch Positionen zu einer Bezugsepoche und durch zeitlich lineare Bewegungen global verteilter Stationen festgelegt. Verschiedene Satellitenbeobachtungsverfahren können kombiniert werden, um ein globales terrestrisches Referenzsystem höchstmöglicher Genauigkeit, Stabilität und Konsistenz zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit fanden dazu GPS- und GLONASS-Beobachtungen der Globalen Navigationssatellitensysteme (engl. Global Navigation Satellite System - GNSS) und Laserentfernungsmessungen (engl. Satellite Laser Ranging - SLR) zu den passiven Satelliten LAGEOS-1 und LAGEOS-2 Anwendung. Die Datengrundlage sind tägliche Normalgleichungssysteme für GNSS und wöchentliche für SLR über einen Zeitraum von 17 Jahren (1994 - 2010). Diese entstammen einer homogenen Reprozessierung, welche unter der Beteiligung der TU München, der Universität Bern, der ETH Zürich und der TU Dresden erfolgte. Dabei wurden Reduktionsmodelle verwendet, welche sich an den aktuellen IERS-Konventionen orientieren. Die verschiedenen Satellitenbeobachtungsverfahren wurden mit der gleichen wissenschaftlichen Software ausgewertet und kombiniert. Die Lösung weist daher eine höchstmögliche Konsistenz auf. In Anlehnung an die Empfehlungen in den aktuellen IERS-Konventionen wurden Auflastdeformationen infolge von Massenvariationen in der Atmosphäre und im Ozean im Auswerteprozess berücksichtigt. Dazu fand ein Modell Anwendung, welches schon bei der Reduktion von Beobachtungen der Schwerefeldmission GRACE (engl. Gravity Recovery and Climate Experiment) genutzt wird. Die Berücksichtigung dieses Modells führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit der GNSS- und SLR-Stationspositionen. Da die SLR-Stationspositionen aufgrund eines systematischen Effektes (engl. blue sky effect) leicht verfälscht sind, sollte dieser Effekt berücksichtigt werden. Dies gilt vor allem vor dem Hintergrund einer Kombination der Verfahren zur Realisierung eines globalen terrestrischen Referenzsystems höchster Genauigkeit. Darüber hinaus überlagern weitere nichtlineare geophysikalische Effekte das lineare Modell aus Positionen und Geschwindigkeiten, z.B. die Auflastdeformation infolge kontinentaler Wasserspeicheränderungen. Werden diese Effekte in einer Auswertung nicht reduziert, sind in den ausgeglichenen Parametern sogenannte residuale Deformationen enthalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher das lineare Modell erweitert, indem residuale Deformationen in Form einer sphärisch harmonischen Entwicklung parametrisiert wurden. Die daraus bestimmten Grad-1-Auflastkoeffizienten weisen ein starkes jährliches Signal auf, welches sowohl die GNSS- als auch die SLR-Lösung zeigen. Die Kombination von GNSS und SLR erfolgte auf Normalgleichungsebene. Um die individuellen Stärken der Verfahren optimal ausnutzen zu können, wurden für eine gegenseitige Gewichtung der Verfahren realistische Genauigkeitsmaße abgeleitet. Es wurden Stationspositionen und -geschwindigkeiten geschätzt sowie die Polkoordinaten und die Grad-1-Auflastkoeffizienten gemeinsam ausgewertet. Im Gegensatz zu den bisherigen Referenzrahmen wurden keine terrestrisch gemessenen Differenzvektoren (engl. Local Ties - LT) an Kolokationsstationen verwendet, um die verfahrensinternen Lösungen zu kombinieren. Mit einer entsprechenden Definition des geodätischen Datums konnten hingegen Komponenten der LT als Unbekannte aus einer globalen Lösung bestimmt werden. Dies ermöglichte eine unabhängige Validierung der LT, welche einen entscheidenden Punkt in der Kombination unterschiedlicher Verfahren darstellen. / One of the main tasks of geodesy is the definition and realization of reference systems. A global terrestrial reference system is realized by a reference frame of a set of positions which respect to a reference epoch and linear motions of a network of globally distributed stations on the Earth's surface. Different space geodetic techniques can be combined to realize a reference system with optimal accuracy, stability and consistency. As such, the focus of this thesis was to apply GPS and GLONASS of the Global Navigation Satellite System (GNSS) and satellite laser ranging (SLR) to LAGEOS-1 and LAGEOS-2 to determine an improved global terrestrial reference frame. The data are daily for GNSS and weekly for SLR normal equation systems over a time span of 17 years (1994 - 2010), produced from a homogeneous reprocessing. This was done through a joint effort of TU Munich, University of Bern, ETH Zurich and TU Dresden using common state of the art reducing models according to the IERS conventions. The same processing software was used to evaluate and combine the different geodetic systems to ensure the highest consistency. Utilizing the recommendations of the IERS conventions 2010, the displacement of the Earth's surface due to mass variations in the atmosphere and in the ocean was reduced from the observations. A model of the non-tidal part which is also used for the reduction of observations of the geodetic gravity mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) was applied. The reduction of this model enhances the position accuracy of the GNSS and SLR position time series. Because of the systematic effect on SLR observations (blue sky effect) the surface load deformation should be reduced especially when combining SLR and GNSS to realize a global terrestrial system. In addition there are more geophysical effects on the station positions, for example the deformation of the Earth's surface due to continental hydrological loading. If such effects are not considered in the estimation process of geodetic observations, residual deformations are present in the estimated parameters. Therefore, this effort included modeling of deformation in the solution by using a consistent spherical harmonic approach of degree-one surface load coefficients. The residual deformations such as hydrological loading modeled with degree-one surface load coefficients have a strong annual signal for which the GNSS-only and the SLR-only solutions show the same variations. The combination of GNSS and SLR was done at the level of normal equations. Considering the strengths of each technique, an optimal weighting based on more realistic uncertainties was applied to the data. The pole coordinates and the degree-one surface load coefficients were combined. Unique to the most recent realizations of a global terrestrial reference system, no local ties (LT) of co-located sites were used in the combination of the different techniques. Thus, using a global solution together with an appropriate definition of the geodetic datum of the combined station network it was possible to estimate components of LT. This estimation enables an independent validation of the measured LT which are a crucial point in combination of different geodetic techniques.

Depuis ces dernières décennies, peu de sujets de la géologie de l’ingénieur ont attiré autant l’attention de la communauté scientifique que ceux traitant des risques naturels et plus particulièrement des instabilités gravitaires de grandes ampleurs reconnues sous les termes de DSGSD (Deep Seated Gravitational Slope Deformation) et de DSL (Deep Seated Landslide). Basée sur un nombre limité de cas d’étude à l’échelle naturelle (couplage datation et surveillance récente), la dynamique temporelle à court terme reste l’un de leurs aspects les moins étudiés aujourd’hui. Nous avons choisi l’exemple du massif de la Cristallère, situé en haute Vallée d’Aspe dans les Pyrénées béarnaises, où le DSL de la Cristallère a été récemment identifié et analysé à partir de deux méthodes de datation.Dans la continuité de ce travail, notre première approche consiste à évaluer la dynamique temporelle à court terme des mouvements de ce versant à différentes échelles et à partir de différentes méthodes de positionnement par satellites (constellations GPS et GLONASS) : positionnement multistations RGP (Réseau Géodésique Permanent), statique géodésique avec pivot et statique rapide avec pivot. Nous insistons dans ce travail, compte tenu des résultats originaux obtenus, sur l’intérêt du différentiel GNSS (Global Navigation Satellite System) avec un pivot qui se doit d’être proche géographiquement des observations à mener afin d’assurer une précision suffisante (de l’ordre du cm).Les observations et l'exploitation des modèles numériques de terrain issues des relevés aériens à différentes échelles obtenus avec un drone du type « aile volante » constituent la deuxième approche de ce travail de recherche. Elles viennent compléter la cartographie du site et démontrer l’existence d’un DSGSD à partir d’une caractérisation géomorphométrique haute résolution et haute précision (de l’ordre du cm également) ; elles permettent d’affiner la délimitation du DSL de la Cristallère et de sa zone la plus active (Pène du Thès) et du DSL du Peilhou.À ces deux approches complémentaires (combinaison de données tridimensionnelles ponctuelles et surfaciques), s’ajoutent préalablement un relevé de terrain géologique etgéophysique (mesures structurales, tomographies de résistivités électriques et profils électromagnétiques Very Low Frequency) ainsi qu’une analyse des archives disponibles sur les ouvrages présents dans le versant instable, tels que la galerie drainante de la centrale hydroélectrique du Baralet et l’ancien tunnel ferroviaire du Peilhou.L’utilisation combinée de ces trois approches confirme que les mouvements profonds du massif de la Cristallère sont encore actifs avec un forçage sismique avéré : la prise de conscience du rôle que peut jouer le DSGSD est tout aussi fondamentale. Ainsi tous les ouvrages existants dans le massif, ou les projets d’aménagement ou de réhabilitation sur ce site doivent considérer l’existence d’une déstructuration, lente et progressive de l’ensemble du massif (DSGSD). Par ailleurs, la méthodologie développée dans ce travail se veut générale et peut être utilisée pour surveiller et suivre, à court et moyen terme, tous types de mouvement de terrain, et en particulier les glissements de terrain ou rocheux, profonds ou superficiels, lents ou rapides. / For these last decades, few subjects of the geology of the engineer have drawn the attention of the scientific community as much as those dealing of the natural hazards and more particularly with large-scale gravitational instabilities known as DSGSD (Deep Seated Gravitational Slope Deformation) and DSL (Deep Seated Landslide). Based on few cases study on a natural scale (dating and recent monitoring), short term temporal dynamics remains one of their least studied aspects today. We made the choice of the Cristallère massif as an example. It is located in Upper Aspe Valley of the Pyrenees (Béarn region). The Cristallère DSL was recently identified and analyzed through two dating methods.On the basis of this work, our first approach consists in assessing short term temporal dynamics of these slopes movements on various scales and with various methods of satellites positioning (GPS and GLONASS constellations): multistation positioning RGP (Permanent Geodetic Network in France), statics geodetic with pivot and fast static with pivot. We insist in this work, given the original results obtained, on the interest of the differential GNSS (Global Navigation Satellite System) with a pivot which must be geographically close to the observations to be carried out in order to ensure sufficient accuracy (cm).Observations and exploitation of drone digital elevation models of the site from aerial surveys at different scales obtained with a “flying wing” are the second approach to this research work. They complete the mapping of the site and demonstrate the existence of a DSGSD based on a high resolution and high precision geomorphometric characterization (cm); they make it possible to refine the delimitation of the Cristallère DSL and its most active area (Pène du Thès) and the Peilhou DSL.In addition to these two complementary approaches, a geological and geophysical survey (structural geology measurements, electrical resistivity tomographies and electromagnetic profiles Very Low Frequency surveys) and an analysis of the available data on the structures present in the unstable slope, such as the large diameter underground water pipe for the hydroelectric plant of Baralet and the former railway tunnel of Peilhou. The combined use of these three approaches confirms that the deep movements of the Cristallère massif are still active with proven seismic forcing: awareness of the potential role taken by the DSGSD is then fundamental. Thus, all the existing structures in the massif or the projects on this site (new constructions or rehabilitation of old structures) have to consider the existence of a slow and gradual change of the entire massif (DSGSD). Moreover, the methodology developed in this work is intended to be general. It also makes possible to monitor and follow, in the short and medium term, all types of ground movement, in particular landslides or rockslides, deep or superficial, slow or fast.

Global Navigation Satellite System (GNSS) är ett system för global satellitpositionering och navigering och innefattar bland annat Global Positioning System (GPS) och Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS), dessa två system är de enda fullt globala operativa systemen i dagsläget. Galileo är ett europeiskt satellitsystem under utveckling och erbjuder för närvarande 14 satelliter, men ska bestå av totalt 30 satelliter när systemet beräknas vara fullt fungerande 2020. Den mätmetod med GNSS som har lägst osäkerhet är statisk mätning. Det är en relativ metod vilket innebär att minst två mottagare samlar observationer samtidigt, vanligtvis i flera timmar. Snabb statisk mätning är en vidareutveckling av statisk mätning och erbjuder mycket kortare observationstider, däremot innebär det en begränsning på baslinjelängden. Syftet med denna studie var att undersöka Galileos påverkan vid snabb statisk mätning och se huruvida Galileo kan bidra med lägre osäkerheter, avvikelser och observationstider i olika konstellationer tillsammans med GPS och GLONASS. Mätningarna utfördes under två dagar i fyra respektive två timmar. Två baslinjer mättes; ena baslinjen hade en längd på 0,4 km och den andra på drygt 2 km. I ett bearbetningsprogram delades därefter konstellationerna upp i tio tidsfönster (epoker) och varje tidsfönster delades i sin tur upp i tre sessioner (1, 5 och 10 minuter). Fyra typer av konstellationer testades: GPS, GPS och GLONASS, GPS och Galileo och sist alla tre tillsammans. Resultatet i studien visar på låga osäkerheter när fler än en konstellation används. Lägst osäkerhet uppnås generellt när mätning med alla konstellationer görs. Mätning med endast GPS ger högst osäkerhet i samtliga fall, men detta är framförallt kännbart vid den kortaste sessionen (1 minut). Likheten i osäkerheterna vid den korta och långa baslinjen är tydlig, men osäkerheterna är större för den långa baslinjen. Avvikelserna är lägst med alla konstellationer, men baslinjelängden är i nästan alla fall för kort mot sin referens. Slutsatsen från studien är att Galileo kan användas för att minska observationstider och osäkerheter vid snabb statisk mätning. Detta är dock försumbart ifall GPS och GLONASS redan används, åtminstone för de två baslinjerna i detta test. Låga osäkerheter uppnås antingen med multi-konstellation eller längre observationstider. / Global Navigation Satellite System (GNSS) is a global system for satellite positioning and navigation and consists, amongst other, of Global Positioning System (GPS) and Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS). Currently, these systems are the only fully global operative satellite systems for positioning. Galileo is an upcoming satellite system and offers at the present time 14 active satellites, but will consist of 30 satellites once it is fully operational by 2020. The survey method with GNSS that has lowest uncertainties is static survey. It is a relative method which means that a minimum of two receivers observe simultaneously, usually for several hours. Rapid static surveying is a further development of static surveying and offers much shorter observation times, but it imposes a restriction of the baseline length. The purpose of this study is to evaluate Galileo’s contribution on rapid static surveying and see whether Galileo can decrease uncertainties, deviations and observation times in different constellations with GPS and GLONASS. Measurements were conducted during two days for two and four hours respectively. Two baselines were measured; the first baseline had a length of 0.4 km and the second nearly 2 km. Later in a software, each constellation was divided in ten time windows (epochs) and each time window was then divided in three sessions (1, 5 and 10 minutes). Four types of constellations were tried: GPS, GPS and GLONASS, GPS and Galileo and lastly all three combined. Results show that low uncertainties are obtained when more than one constellation is used. Lowest uncertainties can be obtained with all constellations active. Surveying with only GPS gives the highest uncertainties in all cases, but this is especially true for the shortest session (1 minute). Similarities in uncertainties between the short and long baseline is clear, but uncertainties are higher for the long baseline. Deviations are lower with all constellations active, but the baseline length is in almost all cases too short. The conclusion from the study is that Galileo can be used to lower observation time and uncertainties. However this is negligible when used with GPS and GLONASS, at least for the two baselines in this test. Low uncertainties can be achieved with multi constellation or longer observation time.

La navigation avec les systèmes de navigation par satellites (GNSS) est un réel défi dans des environnements contraints (semi-urbain, urbain, feuillage dense) à cause des multitrajets et du masquage du signal. Cette thèse propose un nombre de solutions architecturales et algorithmiques pour le récepteur GNSS afin de pallier ces problèmes. Ces solutions se veulent capables d’exploiter les atouts des poursuites scalaire et vectorielle tout en minimisant leurs défauts et de profiter de l’efficacité de certaines techniques de filtrage Bayésien non linéaire quant à aborder la non-Gaussianité et les non-linéarités associées au problème de navigation et de poursuite vectorielle. Une attention particulière est accordée à certains estimateurs Bayésiens qui essaient d’approximer la loi a posteriori sans linéariser le modèle de filtrage, notamment le filtre de Kalman et les méthodes de filtrage particulaire, mais aussi au filtre de Kalman étendu, dont l’estimation de la loi a posteriori est basée sur la linéarisation du modèle de filtrage. En premier lieu, une brève étude bibliographique présentant les fondamentaux des systèmes et des récepteurs GNSS ainsi que les algorithmes de navigation et de poursuite y associés est faite. Ensuite le fonctionnement d’un récepteur GNSS en milieux contraints est investigué. La thèse propose des modèles pour caractériser les erreurs de poursuite induites par les multitrajets dans une boucle de poursuite vectorielle. Ces modèles permettent d’exprimer les erreurs de poursuite en fonction du délai, de la phase et de la fréquence d’évanouissement des multitrajets. En exploitant le fait que la présence des multitrajets se reflète sur la sortie moins des corrélateurs, de nouveaux détecteurs de multitrajets sont formulés. Un détecteur de masquage du signal direct est aussi proposé. L’attention se tourne ensuite vers la conception d’architectures robustes de poursuite et positionnement pour un récepteur GNSS, incorporant les détecteurs proposés et d’autres indicateurs de qualité. Une boucle de poursuite vectorielle capable de détecter et d’exclure des mesures qui ne sont pas saines du calcul de la solution de navigation en utilisant les indicateurs de qualité est proposée. Deux autres boucles de poursuite, la boucle de poursuite adaptative scalaire-vectorielle et la boucle de poursuite conjointe scalaire-vectorielle, avec la même capacité de détection et exclusion de fautes, sont formulées. Elles bénéficient de la robustesse de la poursuite vectorielle en milieux contraints et de la précision de la poursuite scalaire en milieux dégagés. Des résultats expérimentaux montrent que les solutions conçues offrent une meilleure alternative de poursuite et positionnement par rapport aux boucles usuelles de poursuite scalaire et de poursuite vectorielle. Enfin, la thèse présente des approches de filtrage Bayésien non linéaire pour résoudre le problème de navigation et de poursuite vectorielle. Des stratégies de filtrage itératives et adaptatives appliquées au filtre de Kalman sont étudiées. Une nouvelle approche de filtrage particulaire dénommée filtre particulaire itératif et adaptatif (IAUPF) est formulée. Cette approche exploite les propriétés de convergence des méthodes itératives, l’immunité à la divergence dont jouissent les filtres adaptatifs, et la synergie entre les approches de filtrage particulaire et de Kalman. Des simulations de Monte Carlo avec une borne inférieure de Cramér-Rao a posteriori comme référence ainsi que des résultats expérimentaux montrent que l’approche IAUPF a une meilleure performance comparativement aux autres estimateurs Bayésiens présentés / Navigation with Global Navigation Satellite Systems (GNSS) is a real challenge in harsh environments (suburban, urban, heavy foliage) due to multipath and signal blockage. This thesis proposes a number of GNSS receiver architectural and algorithmic solutions to deal with this challenge. These solutions aim at exploiting the strengths of scalar and vector tracking while minimizing their weaknesses and at utilizing the efficiency of some nonlinear Bayesian filtering techniques in addressing the nonlinearities and non-Gaussianities associated with the navigation and vector tracking problem. Attention is given to some Bayesian estimators that approximate the posterior distribution without linearizing the filtering model, namely the unscented Kalman and particle filtering methods, as well as to the extended Kalman filter, whose posterior estimation is grounded on linearization of the filtering model.First, a brief literature review that presents the fundamentals of GNSS and GNSS receivers together with the applied navigation and tracking algorithms is provided. Then an investigation of the GNSS receiver operation in multipath environments is performed. The thesis proposes models for characterizing multipath induced tracking errors in a vector tracking loop. These models make it possible to express the tracking errors with respect to multipath delay, multipath phase and multipath fading frequency. By exploiting the fact that multipath presence is mirrored on the Early-minus-Late correlator output, novel multipath detectors are devised. A correlator-based non-line-of-sight detector is designed as well. Attention is then directed towards the design of robust tracking and positioning GNSS receiver architectures that incorporate the proposed detectors among other signal quality indicators. A vector tracking scheme capable of detecting and excluding unhealthy measurements from position-velocity-time calculation in the navigator using correlator-based signal quality indicators is suggested. Two other novel tracking schemes, the adaptive scalar-vector tracking loop and the conjoint scalar-vector tracking loop, with the same fault detection and exclusion capability, are formulated. They benefit from vector tracking robustness in harsh environments and scalar tracking positioning accuracy in open sky environments. Experimental results show that the proposed solutions have better tracking and positioning performance than the usual scalar and vector tracking loops. Finally, the thesis presents a number of nonlinear Bayesian filtering approaches to solve the navigation and vector tracking problem. Iterative and adaptive strategies as applied to the unscented Kalman filter are studied. A novel unscented particle filter approach, the iterated adaptive unscented particle filter (IAUPF), is proposed. This approach exploits the convergence properties of iterative methods, the divergence suppression benefits of adaptive filters and the synergy of unscented Kalman and particle filtering approaches. Monte-Carlo simulations conducted with a posterior Cramér-Rao lower bound used as benchmarking reference as well as experimental results demonstrate that the IAUPF outperforms the other Bayesian estimators that are presented

Un développement rapide et une densification du trafic aérien ont conduit à l'introduction de nouvelles opérations d'approches et d'atterrissage utilisant des trajectoires plus flexibles et des minimas plus exigeants. La plupart des opérations de navigation aérienne sont actuellement réalisées grâce au GNSS, augmenté par les systèmes GBAS, SBAS et ABAS qui permettent d'atteindre des opérations d'approches de précision (pour GBAS et SBAS). Cependant ces systèmes nécessitent la mise en place d'un réseau de station de référence relativement couteux et des diffusions constantes de messages aux utilisateurs de l'espace aérien. Afin de surmonter ces contraintes, le système ABAS intègre à bord des informations fournies par les systèmes de navigation inertielle (INS) ainsi améliorant les performances de navigation. Dans cette logique, les avions commerciaux actuels utilisent une solution de couplage des deux systèmes appelée hybridation GPS/baro-INS. Cette solution permet d'atteindre des niveaux de performance en termes de précision, intégrité, disponibilité et continuité supérieurs aux deux systèmes pris séparément. Malheureusement, les niveaux d'exigences requis par les opérations de précision ou les atterrissages automatiques ne peuvent pas encore être totalement couverts par les solutions d'hybridation actuelles. L'idée principale de cette thèse a été d'étendre le processus d'hybridation en incluant d'autres capteurs ou systèmes actuellement disponibles ou non à bord et d'évaluer les niveaux de performance atteints par cette solution de filtre d'hybridation global. L'objectif ciblé est de pouvoir fournir la plupart des paramètres de navigations pour les opérations les plus critiques avec le niveau de performance requis par les exigences OACI. Les opérations ciblées pendant l'étude étaient les approches de précision (en particulier les approches CAT III) et le roulage sur la piste. L'étude des systèmes vidéo a fait l'objet d'une attention particulière pendant la thèse. La navigation basée sur la vidéo est une solution autonome de navigation de plus en plus utilisée de nos jours axée sur des capteurs qui mesurent le mouvement du véhicule et observent l'environnement. Que cela soit pour compenser la perte ou la dégradation d'un des systèmes de navigation ou pour améliorer la solution existante, les intérêts de l'utilisation de la vidéo sont nombreux. / The quick development of air traffic has led to the improvement of approach and landing operations by using flexible flight paths and by decreasing the minima required to perform these operations. Most of the aircraft operations are supported by the GNSS augmented with GBAS, SBAS and ABAS. SBAS or GBAS allow supporting navigation operations down to precision approaches. However, these augmentations do require an expensive network of reference receivers and real-time broadcast to the airborne user. To overcome, the ABAS system integrates on-board information provided by an INS so as to enhance the performance of the navigation system. In that scheme, INS is coupled with a GPS receiver in a GPS/baro-INS hybridization solution that is already performed on current commercial aircraft. This solution allows reaching better performance in terms of accuracy, integrity, availability and continuity than the two separated solutions. However the most stringent requirements for precision approaches or automatic landings cannot be fulfilled with the current hybridization. The main idea of this PhD study is then to extend the hybridization process by including other sensors already available on commercial aircraft or not and, to assess the performance reached by a global hybridization architecture. It aims at providing most of the navigation parameters in all operations with the required level of performance. The operations targeted by this hybridization are precision approaches, with a particular focus on CAT III precision approach and roll out on the runway. The study of video sensor has been particularly focused on in the thesis. Indeed video based navigation is a complete autonomous navigation opportunity only based on sensors that provide information from the dynamic of the vehicle and from the observation of the scenery. Moreover, from a possible compensation of any loss or degradation of a navigation system to the improvement of the navigation solution during the most critical operations, the interests of video are numerous.

Les systèmes de navigation par satellites sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. De nouveaux besoins émergent, majoritairement en environnement urbain. Dans ce type d'environnement très obstrué, le signal reçu par l'utilisateur a subit des atténuations ainsi que des réfractions/diffractions, ce qui rend difficile la démodulation des données et le calcul de position de l'utilisateur. Les signaux de navigation par satellites étant initialement conçus dans un contexte d'environnement dégagé, leurs performances de démodulation sont donc généralement étudiées dans le modèle de canal de propagation AWGN associé. Or aujourd'hui ils sont utilisés aussi en environnements dégradés. Il est donc indispensable de fournir et d'étudier leurs performances de démodulation dans des modèles de canal de propagation urbain. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, le but final étant d'améliorer les performances de démodulation des signaux GNSS en milieux urbains, en proposant un nouveau signal. Afin de pouvoir fournir et analyser les performances de démodulation des signaux de navigation par satellite en milieux urbains, un outil de simulation a été développé dans le cadre de cette thèse : SiGMeP pour « Simulator for GNSS Message Performance ». Il permet de simuler la chaine entière d'émission/réception d'un signal de navigation par satellites et de calculer ses performances de démodulation en milieu urbain. Les performances de démodulation des signaux existants et modernisés ont donc été calculées avec SiGMeP en environnement urbain. Afin de représenter au mieux ces performances pour qu'elles soient le plus réalistes possibles, une nouvelle méthode adaptée au cas urbain est proposée dans ce manuscrit. Ensuite, pour améliorer ces performances de démodulation, l'axe de recherche s'est essentiellement porté sur le « codage canal ». Pour décoder l'information utile transmise, le récepteur calcule une fonction de détection à l'entrée du décodeur. Or la fonction de détection utilisée dans les récepteurs classiques correspond à un modèle de canal AWGN. Ce manuscrit propose donc une fonction de détection avancée, qui s'adapte au canal de propagation dans lequel l'utilisateur évolue, ce qui améliore considérablement les performances de démodulation, en ne modifiant que la partie récepteur du système. Enfin, dans le but de concevoir un nouveau signal avec de meilleures performances de démodulation en environnement urbain que celles des signaux existants ou futurs, un nouveau codage canal de type LDPC a été optimisé pour une modulation CSK. En effet, la modulation CSK est une modulation prometteuse dans le monde des signaux de type spectre étalé, qui permet de se débarrasser des limitations en termes de débit de données qu'impliquent les modulations actuelles des signaux de navigation par satellites. / Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are increasingly present in our everyday life. Further operational needs are emerging, mainly in urban environments. In these obstructed environments, the signal emitted by the satellite is severely degraded due to the many obstacles. Consequently, the data demodulation and the user position calculation are difficult. GNSS signals being initially designed in an open environment context, their demodulation performance is thus generally studied in the associated AWGN propagation channel model. But nowadays, GNSS signals are also used in degraded environments. It is thus essential to provide and study their demodulation performance in urban propagation channel models. It is in this context that this PhD thesis is related, the final goal being to improve GNSS signals demodulation performance in urban areas, proposing a new signal. In order to be able to provide and study GNSS signals demodulation performance in urban environments, a simulation tool has been developed in this PhD thesis context: SiGMeP for ‘Simulator for GNSS Message Performance'. It allows simulating the entire emission/reception GNSS signal chain in urban environment. Existing and modernized signals demodulation performance has thus been computed with SiGMeP in urban environments. In order to represent this demodulation performance faithfully to reality, a new methodology adapted to urban channels is proposed in this dissertation. Then, to improve GNSS signals demodulation performance in urban environments, the research axis of this thesis has focused on the ‘Channel Coding' aspect. In order to decode the transmitted useful information, the receiver computes a detection function at the decoder input. But the detection function used in classic receivers corresponds to an AWGN propagation channel. This dissertation thus proposes an advanced detection function which is adapting to the propagation channel where the user is moving. This advanced detection function computation considerably improves demodulation performance, just in modifying the receiver part of the system. Finally, in order to design a new signal with better demodulation performance in urban environments than one of existing and future signals, a new LDPC channel code has been optimized for a CSK modulation. Indeed, the CSK modulation is a promising modulation in the spread spectrum signals world, which permits to free from limitation sin terms of data rate implied by current GNSS signals modulations.

Cette thèse présente des observations GNSS dans l'Ouest et le Nord-Est Vénézuélien, et Trinidad utilisées pour contraindre la géodynamique de la zone d'étude et la cinématique des principales failles dans cette frontière des plaques. Je présente un travail intégral de conception, installations d'un réseau géodésique dans l'ouest du Venezuela et deux campagnes d'acquisition des données GNSS. Dans le Nord-Est Vénézuélien, une campagne d'acquisition des données a été réalisée avec la réoccupation des repères installés et mesurés depuis 2003. Lors du traitement des données, j'ai inclus l'ensemble des campagnes antérieures disponibles et les données des stations GNSS permanentes de la région. Les vitesses observées dans l'Ouest Vénézuélien correspondent bien avec le mouvement des plaques Caraïbes et Sud Amérique. Cependant, le lent taux de déplacement des failles principales et le court intervalle de temps entre les observations n'a pas permis d'obtenir un champ des vitesses avec suffisamment de précision. Au contraire, les observations épisodiques réalisées sur dix ans dans le Nord-Est du Venezuela ont permis contraindre la cinématique de la faille d'El Pilar (EPF). Dans cette région, nous avons étudié les effets de la variation des propriétés élastiques sur la faille et de part et d'autre de celle-ci. Le champ de vitesses asymétrique obtenu sur les deux côtés de la faille a été simulé avec cinq approches. Un premier modèle simple dans un demi-espace homogène montre une profondeur de blocage de 1,8 km. À l'aide d'un modèle hétérogène en considérant des contrastes entre les propriétés du matériel de part et d'autre de l'EPF, nous avons montré une profondeur de blocage de 3 km et un coefficient de rigidité de 0,37. Cette dernière valeur indique que le côté nord à l'EPF composé de roches ignées et métamorphiques présente une rigidité ~1,7 fois supérieure au côté sud composé de formations sédimentaires. À partir d'un modèle tridimensionnel élastostatique, la présence d'une zone de compliance a été suggérée. Cette zone proche de la faille caractérisée par une faible rigidité serait présente de la surface à 3 km de profondeur et présenterait une largeur de 1 à 5 km et une réduction de rigidité de 30%. La simulation des vélocités avec un modèle de distribution du glissement le long du plan de faille montre la présence de glissements asismiques dans toute la partie supérieure du segment Ouest tandis que la partie supérieure du segment Est se montre partialement bloquée, ce secteur partiellement bloqué correspondrait à la rupture en surface des séismes de 1797 et 1929. En se basant sur la combinaison des vélocités obtenues par comparaison GPS/GPS et triangulation/GPS nous avons étudié la cinématique des failles principales de Trinidad. Le champ de vitesses de part et d'autre de la faille de la cordillère centrale de Trinidad (CRF) indique une asymétrie du gradient de vitesse de part et d'autre de la faille. Le modèle simple de déformation interseismique montre une profondeur de blocage de 10 km et le modèle hétérogène asymétrique suggère une profondeur de blocage de 2,5 km avec un coefficient de rigidité de 0,20 %, qui suggère une rigidité trois fois supérieure du côté nord par rapport au côté sud. La simulation du glissement le long des failles de Trinidad montre un glissement asismique atteignant 12 mm/an le long de la partie supérieure de la CRF et de sa prolongation en mer la Warm Spring Fault. Ce comportement change vers le nord-est avec une diminution importante du creep le long de la partie supérieure de la faille. La prolongation de l'EPF se montre inactive à Trinidad. L'existence d'un creep important le long des failles d'El Pilar et de la faille de la cordillère centrale de Trinidad pourrait expliquer le bas niveau de sismicité instrumentale, historique et préhistorique de ces accidents qui localisent pourtant un coulissement de 20mm/an. L'existence de ce creep induirait une réduction de l'aléa sismique de moitié. / The Caribbean-South American plate boundary is described as a wide active transpresional zone. This dissertation presents GNSS observations in Western and Northeastern Venezuela, and Trinidad used to constrain the geodynamic of the region and the kinematic of the principal faults along this plate boundary. Here, a whole work of conception, installation of network and measurements with two campaigns of GNSS observations in Western Venezuela is presented. In the case of Northeastern Venezuela, a GNSS data acquisition campaign was carried out measuring pre-existing sites installed and occupied since 2003 by FUNVISIS and University of Savoie team. The data processing for these sites includes data from previous acquisition campaigns and permanent GNSS stations. In Western Venezuela, observed velocities correspond roughly with the motion of Caribbean and South American plates. Nonetheless, the slow rate of fault-slip of main faults and the short span between the data acquisition campaigns in Western Venezuela do not allow assess the velocity field with sufficient accuracy. In northeastern Venezuela, I focused on the effects of variable elastic properties of the El Pilar Fault (EPF) and surrounding medium on inferred slip rates and locking depths. The asymmetric velocity field on both sides of EPF have been evaluated with five approaches. In a first step, a simple elastic half-space model was applied showing a 1.8 km locking depth. Next, a model considering contrast of material properties across the EPF depicts out 3 km locking depth and a 0.37 asymmetric coefficient indicating that the igneous-metamorphic northern side has a rigidity ~1.7 times higher than the sedimentary southern side. From a three-dimensional elastostatic model, the presence of a near-fault low-rigidity compliant zone has been evaluated suggesting a zone in the upper 3 km in depth and going from 1 to 5 km width with a 30 per cent of rigidity reduction. The creep associated to the shallow locking depth was clearly shown with the slip distribution model and the displacement simulation method. The results show a widespread partially-creep pattern in the eastern upper segment, while the upper western segment exhibits a partially locked area which coincides with the rupture surface of 1797 and 1929 earthquakes. From the compilation of GNSS observations and triangulation-to-GPS comparison of previous studies, the kinematic of main faults in Trinidad has been studied. The velocity field across the Central Range Fault (CRF) points out an asymmetry of velocity gradient on both sides. The heterogeneous asymmetric model point out a 2.5 km locking depth with a 0.20 asymmetric coefficient indicating that the northern side has a rigidity ~3.3 times higher to the southern side. Similar approaches have been applied to the EPF extension in Trinidad. The creep in the upper part of CRF as response to the shallow locking depth was quantified using a slip distribution model. A creep of 12 mm/yr was calculated in the southwestern onshore portion of the CRF and the Warm Springs Fault, nevertheless, this behavior changes northeastward where the CRF show a significant decrease of slip in the upper part. The slip along the EPF prolongation appears locked along its upper and lower part in the onshore portion demonstrating that this segment section is not needed to simulate observed velocities and is inactive. Furthermore, the Los Bajos Fault is shown with a slip of 7 mm/yr in the segment upon which the EPF in Venezuela transfers its slip eastward and that act as a synthetic Riedel shears. The localized aseismic displacement pattern associated with creeping or partially creeping fault segments could explain the low level of historical seismicity in the Northeastern Venezuela and Trinidad. The EPF in Venezuela and the CRF accommodate between 50-60% of the plate boundary zone motion that point out a reduction of the seismic hazard almost by half

Veículos autônomos são objeto de crescente estudo em todo o mundo. Face à Engenharia de Transportes, é tema que deve provocar uma revolução nas próximas décadas, pois é concreta a tendência ao uso destes veículos na sociedade. Podem se citar como grandes beneficiados a segurança, a logística, o fluxo de trânsito, o meio ambiente e também os portadores de deficiências. Com o objetivo de fazer um veículo atingir um ponto com coordenadas conhecidas de forma autônoma, uma plataforma veicular terrestre em escala foi utilizada, a qual recebeu um sistema computacional micro controlado e tecnologias para proporcionar mobilidade através de motores elétricos para tração e servo-motores para direcionamento; posicionamento por satélite através de receptor GNSS e bússola eletrônica para orientação; sensoriamento por ultra-som para evitar colisões; e comunicação sem fio, a fim de se realizar remotamente monitoramento e instrução em tempo real através de um aplicativo para computador pessoal (PC). Foi desenvolvido um algoritmo de navegação que, fazendo uso dos recursos disponíveis, proporcionou autonomia ao veículo, de forma a navegar para pontos com coordenadas conhecidas sem controle humano. Os testes realizados visaram avaliar a capacidade de autonomia do veículo, a trajetória de navegação realizada e a acurácia de chegada aos pontos de destino. O veículo foi capaz de atingir os pontos em todos os testes realizados, sendo considerado funcional seu algoritmo de navegação e também os sistemas de mobilidade, posicionamento, sensoriamento e comunicação. / Autonomous vehicles are an on growing research target around the world. Face to Transports Engineering, it is a subject which is expected to make a revolution on the next decades. The great benefits are on security, logistic, traffic flow, environment and handicap. With the goal to make a vehicle navigate autonomously to known geodesics coordinates, a reduced scale terrestrial vehicular platform was used. This platform received a microcontrolled computational system and technologies to give it mobility, through electrical motors for traction and servo-motors for direction; satellite positioning, through a GNSS receiver and magnetic compass for orientation; ultrasound sensing in order to avoid collision; and wireless communication, in order to do remote monitoring and instruction at real time through a PC application. It was developed a navigation algorithm which, from the available resources, gave autonomy to the vehicle, in order to navigate to known geodesics coordinates without human control. The test set was intended to evaluate the autonomy capacity of the vehicle, the navigation trajectory that was done and the arrival accuracy to the destination points. The vehicle reached the destination points on all tests done, being evaluated as functional its navigation algorithm and also the mobility, positioning, sensing and communication systems.

Resumo: Com a inclusão de novos sinais nos satélites GPS e o advento do sistema Galileo, o posicionamento por satélite entrará em uma nova era, trazendo inovações tecnológicas e científicas, principalmente nas combinações entre diferentes sistemas. Logo, verifica-se a importância de analisar a qualidade dos novos sinais, quantificando suas contribuições na acurácia do posicionamento. Visando contribuir com essa demanda, este trabalho tem o intuito de dar continuidade às pesquisas no Brasil sobre a qualidade advinda da modernização do GNSS utilizando os novos sinais transmitidos pelos satélites. O GNSS engloba o GPS, o GLONASS, o Galileo, o SBAS, o Beidou e o LAAS. Entretanto, neste trabalho apenas os sistemas GPS, GLONASS e Galileo serão abordados. Com esses três sistemas é possível realizar combinações lineares para integrá-los no posicionamento por ponto e relativo. Alguns problemas nessa combinação foram detectados com indicações de soluções para os efeitos não modelados. No que concerne aos efeitos da ionosfera, uma combinação ion-free utilizando três freqüências foi apresentada, permitindo eliminar os efeitos de primeira e segunda ordem da ionosfera. Apresenta-se também uma revisão bibliográfica do estado da arte da solução da ambigüidade utilizando esses três sistemas. Além disso, foi realizado um experimento a fim de analisar a qualidade do novo sinal L2C. Nas análises, tal como esperado, os satélites modernizados apresentaram melhores resultados do que os satélites não modernizados. Como o sistema Galileo ainda não está operacional, foi implementado no software GPSeq a interoperabilidade dos sinais GPS e GLONASS e realizadas análises comparando tais sistemas no posicionamento relativo. Além disso, comparou-se os resultados do software GPSeq com softwares comerciais. Os resultados, em alguns momento... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: With the addition of new signals in GPS satellites and the advent of Galileo system, the satellite positioning will start a new era, which will require technologic and scientific innovations mainly in combinations of these systems. Therefore, analyzing the new signal quality and quantifying their contribution in the positioning accuracy are very important. Thus, this research points out the importance of continuing investigations in Brazil about GNSS modernization using the new signals transmitted by the satellites. The GNSS include GPS, GLONASS, Galileo, SBAS, Beidou and LAAS. However, in this work only GPS, GLONASS and Galileo system are taken into account. In order to integrate these three systems it is possible to accomplish linear combinations in absolute and relative positioning. Some problems in these combinations were detected and solutions for the unmodeled effects were recommended. For the ionospheric effect, an ion-free combination using three frequencies was performed. This combination can eliminate the ionosphere effects of first and second order. In this paper a bibliographical revision of the ambiguity solution using three systems is accomplished. Furthermore, an experiment was carried out to analyze... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: João Francisco Galera Monico / Coorientador: Eniuce Menezes de Souza / Banca: Helio Koiga Kuga / Banca: Daniela Barrocá Marra Alves / Mestre