Location-based services have grown in importance as smartphones, and location-based applications have become an integral part of everyday life. While Global Navigation Satellite Systems (GNSSs) provide the most accurate position determination, open service GNSS signals remain unprotected and susceptible to spoofing attacks. Previous work within the domain highlighted this issue, with many smartphone receivers shown susceptible to GPS L1 spoofing, suggesting that their resilience experiments should be extended to include other GNSS signals in the future. Given that multi-GNSS receivers now have become the norm in smartphones, this thesis investigates whether smartphone GNSS receiver spoofing resilience depends on the type of signal; by conducting a series of comparative spoofing experiments involving GPS L1 and Galileo E1-B/C signals. To conduct the experiments, we developed a Galileo E1-B/C signal simulator that, together with the open-source GPS-SDR-SIM signal simulator, was the basis for conducting a series of experiments designed to identify the potential presence of anti-spoofing measures. The result of our experiments indicates that smartphone multi-GNSS receivers were significantly more resilient towards Galileo E1-B/C spoofing attacks, often accepting GPS L1 signals with significant position, time, and data errors, while refusing to accept corresponding Galileo E1-B/C signals. While we never observed cases of E1-B/C signals being accepted while rejecting GPS L1 signals, external factors limited the scope of the investigation and do not allow a generalized conclusion. As such, to deepen our understanding of these issues and how they relate to the development of anti-spoofing measures and trust in different signals, it is essential to extend this research to include more devices and other GNSS signals. / Positionstjänster har växt i betydelse allteftersom smarttelefoner och positionsapplikationer har blivit en integral del av våran vardag. Även om satellitpositionering utger det mest precisa och vedertagna positionsbestämningen av tillgängliga positionstjänser så är de publika satellitnavigeringssignalarna oskyddade och sårbara för förfalskningsattacker. Tidigare forskning inom området har evaluerat dessa sårbarheter och visat att ett betydande antal smarttelefoner var sårbara för GPS-L1 förfalskningsattacker och att denna forskning borde utökas i framtiden allteftersom satellitnavigeringsmottagare med förmåga att mottaga olika satellitsignaler integreras i smarttelefoner. Givet att en majoritet av nya smarttelefoner nu integrerar denna typ av mottagare så utvärderar detta arbete hur sårbarheten mot förfalskningsattacker beror på typ av satellitsignal genom en komparativ jämförelse av sårbarhet mellan GPS-L1 och den nyare Galileo E1-B/C signalen. För att genomföra utvärderingen så utvecklade vi en Galileo E1-B/C signalsimulator som tillsammans med GPS-L1 signalsimulatorn (GPS-SDR-SIM) utgjorde grunden för en serie av experiment designade för att identifiera och utvärdera sårbarheter och potentiella motåtgärder i smarttelefoner. Våra resultat indikerar att smarttelefoner är betydligt mer sårbara for GPS-L1 forfalskningsattacker då de accepterade GPS-L1 signaler med betydande position, tid, och datafel medans motsvarande Galileo E1-B/C signaler ej accepterades. Trots resultaten så är det viktigt att inte dra för starka slutsatser då underlaget var kraftigt begränsat givet rådande omständigheter (Covid), som gjorde det svårt/omöjligt att på ett säkert sätt samla volontärer med olika smarttelefoner för våra experiment. Därav så är det viktigt att i framtiden utöka arbetet med ett större underlag och fler signaltyper.

Many satellites in LEO use a GNSS-based navigation system, taking advantage of the GNSS constellations in MEO to enhance navigation capabilities. The thesis work focused on developing the software enabling GNSS-based navigation for Hemeria's future small satellites operating in LEO. Real time algorithms were developed to perform on board accurate frame conversions based on the International Earth Rotation and Reference Systems Service 2010 convention. The implementation was tested and independently cross-validated using space mechanics libraries and data from Observatory of Weights and Measures of Paris. The method was based on the Earth Orientation Parameters, and the balance between autonomy and accuracy was assessed. In pursuit of an affordable navigation system, a commercial Off-The-Shelf GNSS receiver was used. The navigation solution, derived from single frequency measurements, suffered from a systematic bias caused by the ionosphere. Mitigation strategies with ionospheric corrections were included in the IONOS simulator. Several attitude control modes were simulated so the effect of spacecraft tumbling versus the availability of GNSS measurements in a degraded situation was quantified.  Through this thesis, algorithms for GNSS-based navigation of Hemeria's small satellites in LEO were developed. The results showed the successful implementation of real time frame conversions at the metre level at best. It was found that the implementation allowed an improved autonomy of the frame conversion at the decimetre level of accuracy over a period of two months. / Många satelliter i LEO använder GNSS-baserad navigering och drar nytta av GNSS-konstellationerna i MEO för att förbättra navigeringsförmågan. Avhandlingsarbetet fokuserade på att utveckla mjukvaran som möjliggör GNSS-baserad navigering för Hemerias framtida småsatelliter som opererar i LEO. Realtidsalgoritmer utvecklades för att utföra exakta ramkonverteringar ombord baserat . Implementeringen testades och korsvaliderades oberoende med hjälp av rymdmekanikbibliotek och data från Observatory of Weights and Measures of Paris. Metoden baserades på jordorienteringsparametrarna, och balansen mellan autonomi och noggrannhet utvärderades. I jakten på ett prisvärt navigationssystem användes en kommersiell off-the-shelf GNSS-mottagare. Denna navigeringslösning, som härrörde från mätningar med en enda frekvens, led av en systematisk bias orsakad av jonosfären. I IONOS-simulatorn ingick strategier för att mildra effekterna med jonosfäriska korrigeringar. Flera lägen för attitydkontroll simulerades så att effekten av rymdfarkostens tumlande kontra tillgängligheten av GNSS-mätningar i en försämrad situation kunde kvantifieras.  Genom denna avhandling utvecklades algoritmer för GNSS-baserad navigering av Hemerias små satelliter i LEO. Resultaten visade en framgångsrik implementering av ramkonverteringar i realtid på meternivå som bäst. Det visade sig att implementeringen möjliggjorde en förbättrad autonomi för ramkonverteringen på decimeternivå under en period av två månader.

Mobile communication systems are undergoing significant development on increasingly wide frequency bands (5G in particular). To support this development, a detailed characterization of the propagation of electromagnetic waves in L, S and C band between a station (satellite, airborne or ground) and a mobile platform is necessary to analyze and model the phenomena that have a decisive impact on the performance, availability and operability of systems. The environments of interest are complex (urban environment for example) and include a wide range of different elements (buildings, pylons, trees etc.) that will have an impact on the signal received by a mobile in reception. These needs motivated the development of a simulator using an enhanced hybrid physicalstatistical model for Land Mobile Satellite (LMS) propagation Channel. This simulator has been developed by a PhD student and presented in [Ait+13]. This study has been conducted by the ONERA on behalf of the CNES. The Simplified CHannel for Urban Navigation (SCHUN) ensure a wideband characterization of the channel, with realistic multipath modelling and is dedicated to the testing of GNSS systems. However, this model must be validated in S and C bands and measurement campaigns have been carried out to compare simulated and experimental data. In this work, the data corresponding to a trajectory with alternatively LOS and NLOS situation in an urban canyon have been derived from a measurement campaign carried out in Saint-Lary in S and C frequency bands. The post-processing of the data performed in the S frequency band has been performed using a pre-existing algorithm implemented at ONERA relying upon acquisition and tracking signal processing principles of GNSS. This trajectory has been simulated along with its surroundings using SCHUN. The Channel Impulse Response has been computed to derive multipath characteristics. Comparisons have been made between simulations and experimental data and have shown great concordance. Future works would be first to extend this comparison to C-bands and then to statistically simulate a virtual city corresponding to the town in which the experiment has been carried out to complete the validation. / Mobila kommunikationssystem genomgår en betydande utveckling på allt bredare frekvensband (särskilt 5G). För att stödja denna utveckling krävs en detaljerad karakterisering av utbredningen av elektromagnetiska vågor i L-, S- och C-banden mellan en station (satellit, luftburen eller markbaserad) och en mobil plattform för att analysera och modellera de fenomen som har en avgörande inverkan på systemens prestanda, tillgänglighet och funktionsduglighet. De intressanta miljöerna är komplexa (t.ex. stadsmiljöer) och innehåller en mängd olika element (byggnader, master, träd osv.) som påverkar den signal som tas emot av en mobil i mottagning.  Dessa behov motiverade utvecklingen av en simulator som använder en förbättrad fysisk-statistisk hybridmodell för landmobila satellituppbredningskanaler (LMS). Denna simulator har utvecklats av en doktorand och presenteras i [Ait+13]. Denna studie har genomförts av ONERA på uppdrag av CNES. Simplified CHannel for Urban Navigation (SCHUN) säkerställer en bredbandig karakterisering av kanalen med realistisk multipath-modellering och är avsedd för testning av GNSS-system. Denna modell måste dock valideras i S- och C-banden och mätkampanjer har genomförts för att jämföra simulerade och experimentella data. I detta arbete har data som motsvarar en bana med alternativt LOS- och NLOS-situation i en urban canyon tagits fram från en mätkampanj som utfördes i Saint-Lary i S- och C-banden. Efterbearbetningen av data från S-frekvensbandet har utförts med hjälp av en befintlig algoritm som implementerats vid ONERA och som bygger på GNSS-signalbehandlingsprinciperna för förvärv och spårning. Denna bana har simulerats tillsammans med dess omgivningar med hjälp av SCHUN. Kanalimpulsresponsen har beräknats för att få fram egenskaperna för multipelväg. Jämförelser har gjorts mellan simuleringar och experimentella data och har visat stor överensstämmelse. Framtida arbeten skulle vara att först utvidga denna jämförelse till C-bandet och sedan statistiskt simulera en virtuell stad som motsvarar den stad där experimentet utfördes för att slutföra valideringen.

Buoys anchored to the seabed are often used for marking courses in competitive sailing and other water sports, but they may need to be relocated several times per day. To avoid the time and fuel consuming labour of raising and moving the anchors, a prototype of an autonomous buoy using electric motors to maintain its position was built and tested. The prototype buoy was built as a catamaran pontoon boat with one motor in each hull. To navigate it used a Global Navigation Satellite Systems receiver and a compass as sensors. Based on information from the sensors, a microcontroller regulated the buoy’s heading and velocity using proportional, integral and derivative control. The prototype was tested and evaluated in terms of design suitability, control system performance and dynamic positional precision. Except for leaking propeller axle seals the general design of the buoy was found suitable, as was the PID control system. However, while the GNSS position was sufficiently accurate when stationary, it would not register movement smaller than approximately 30 m. Consequently the buoy was only able to stay within 19.8 m of the target location on average. The performance maybe improved by either using a different GNSS receiver, or upgrading to Real Time Kinematics GNSS. / Bojar förankrade till havsbottnen används ofta för att märka ut banan i kappsegling eller andra vattensporter, men kan behöva flyttas flera gånger per dag. För att undvika det tids- och bränslekrävande arbetet av att lyfta och flytta ankarna byggdes och testades en prototyp av en autonomboj som håller sin position med hjälp av elmotorer. Prototypbojen byggdes som en pontonbåt i katamaranutförande med en motor i varje skrov. För att navigera använde den en mottagare för Global Navigation Satellite Systems och en kompass som sensorer. Baserat på information från sensorerna styrde en mikrokontroller bojens kurs och hastighet med proportionella, integrerande och deriverande regulatorer. Prototypen testades och utvärderades med avseende på konstruktionens lämplighet, reglersystemets prestanda och dynamisk positioneringsprecision. Förutom läckande propelleraxelstätningar ansågs den generella designen var lämplig, likaså PID-reglersystemet. Aven om den stillastående GNSS-positionen var tillräckligt exakt, så registrerades inte rörelser mindre än 30 m. Följaktligen kunde bojen bara hålla sig inom 19.8 m från målpositionen i genomsnitt. Prestandan skulle kunna förbättras med en annan GNSS mottagare eller genom att uppgradera till Real Time Kinematics GNSS.

Le PPP (Precise Point Positioning) est une méthode GNSS (Global Navigation Satellite Systems), basée sur le concept SSR (State Space Representation). Grâce aux améliorations récentes des modèles atmosphériques, le PPP en temps réel (RT-PPP) peut être également amélioré. L'objectif principal de ce travail est d'étudier le RT-PPP et l'infrastructure optimisée en termes de coûts et d'avantages pour réaliser la méthode en utilisant des corrections atmosphériques. Pour cela, différentes configurations d'un réseau GNSS dense et régulier existant en France, le réseau Orphéon, sont utilisées. Ce réseau compte environ 160 sites, propriété de Geodata-Diffusion (Hexagon Geosystems). Dans un premier temps, le mode «PPP-RTK flottant» a été évalué, il correspond au RT-PPP avec des améliorations issues des corrections de réseau, mais avec les ambiguïtés flottantes. Ensuite, des corrections de réseau sont appliquées pour améliorer le mode « PPP-RTK » où les ambiguïtés sont fixées à leurs valeurs entières. Pour le PPP-RTK flottant, une version modifiée du package RTKLib 2.4.3 (beta) est utilisée pour prendre en compte les corrections réseau. Les effets ionosphériques de premier ordre ont été éliminés par la combinaison iono-free et le retard troposphérique zénithal est estimé. Les corrections ont été appliquées en introduisant des paramètres troposphériques a priori contraints. Une modélisation adaptative basée sur les OFCs (Optimal Fitting Coefficients) a été mise en place pour décrire le comportement de la troposphère, en utilisant des estimations des retards troposphériques pour les stations Orphéon. Cette solution permet une communication monodirectionnelle entre le serveur et l'utilisateur. Les gains réalisés sur le temps de convergence pour obtenir un positionnement de 10 centimètres de précision ont été quantifiés statistiquement. La topologie du réseau a été évaluée, en réduisant le nombre de stations de référence (jusqu'à 75%), via une configuration de réseau lâche. Dans la deuxième étape, le PPP-RTK est réalisé grâce au logiciel PPP-Wizard 1.3 et avec les produits temps réel CNES (Centre Nacional de Estudes Spatiales) pour les orbites, les horloges et les biais de phase des satellites. Le RT-IPPP (RT-Integer PPP) est réalisé avec estimation des délais troposphériques et ionosphériques. Les corrections ionosphériques et troposphériques sont introduites en tant que paramètres a priori contraints au PPP-RTK. Pour générer des corrections ionosphériques, il a été mis en place un algorithme d'interpolation à distance inversée (IDW–Inverse Distance Weighting). Les améliorations apportées au positionnement horizontal dues aux corrections atmosphériques SSR externes provenant d’un réseau (dense ou lâche) sont prometteuses et peuvent être utiles pour les applications qui dépendent principalement du positionnement horizontal. / PPP (Precise Point Positioning) is a GNSS (Global Navigation Satellite Systems) method, based on SSR (State Space Representation) concept. Thanks to recent improvements in atmospheric models, Real-time PPP (RT-PPP) can also be improved. The main objective of this work is to study the RT-PPP and the optimized infrastructure in terms of costs and benefits to realize the method using atmospheric corrections. Therefore, different configurations of a dense and regular GNSS network existing in France, the Orpheon network, are used. This network has about 160 sites and is owned by Geodata-Diffusion (Hexagon Geosystems). Initially, ‘float PPP-RTK’ was evaluated, it corresponds to RT-PPP with improvements resulting from network corrections, although with ambiguities kept float. Further on, network corrections are applied to improve “PPP-RTK” where ambiguities are fixed to their integer values. For the float PPP-RTK, a modified version of the RTKLib 2.4.3 (beta) package is used to apply network corrections. First-order ionospheric effects were eliminated by the iono-free combination and zenith tropospheric delay estimated. The corrections were applied by introducing a priori constrained tropospheric parameters. Adaptive modeling based on OFCs (Optimal Fitting Coefficients) has been developed to describe the behavior of the troposphere, using estimates of tropospheric delays for Orpheon stations. This solution allows one-way communication between the server and the user. The gains achieved in convergence time to 10 centimeters accuracy were statistically quantified. Network topology was assessed by reducing the number of reference stations (up to 75%) using a sparse network configuration. In the second step, PPP-RTK is realized using the PPP-Wizard 1.3 software and CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) real-time products for orbits, clocks and phase biases of satellites. The RT-IPPP (RT-Integer PPP) is performed with estimation of tropospheric and ionospheric delays. Ionospheric and tropospheric corrections are introduced as a priori parameters constrained in PPP-RTK. To generate ionospheric corrections, it was implemented an Inverse Distance Weighting (IDW) algorithm. Improvements achieved in horizontal positioning due to external SSR corrections from a (dense or sparse) network are promising and may be useful for applications that depend primarily on horizontal positioning. / O PPP (Precise Point Positioning) é um método GNSS (Global Navigation Satellite Systems) baseado no conceito SSR (State Space Representation). Graças às melhorias recentes nos modelos atmosféricos, o PPP em tempo real (RT-PPP) também pode ser aprimorado. O objetivo principal deste trabalho é estudar o RT-PPP e a infraestrutura otimizada em termos de custos e benefícios para realizar o método usando correções atmosféricas. Portanto, são utilizadas diferentes configurações de uma rede GNSS densa e regular existente na França, a rede Orphéon. Esta rede tem cerca de 160 estações, sendo propriedade da Geodata-Diffusion (Hexagon Geosystems). Inicialmente, foi avaliado o "float PPP-RTK", que corresponde ao RT-PPP com melhorias resultantes de correções de rede, embora mantendo as ambiguidades como float. Em um segundo momento, as correções de rede são aplicadas para aprimorar o "PPP-RTK", onde ambiguidades são fixadas para seus valores inteiros. Para o float PPP-RTK, uma versão modificada do software RTKLib 2.4.3 (beta) é empregada de modo a levar em consideração as correções de rede. Os efeitos ionosféricos de primeira ordem foram eliminados pela combinação iono-free e o atraso troposférico é estimado. As correções são aplicadas introduzindo parâmetros troposféricos a priori injuncionados. Uma modelagem adaptativa baseada em OFCs (Optimal Fitting Coefficients) foi implementada para descrever o comportamento da troposfera, utilizando estimativas de atraso troposférico para estações da rede Orpheon. Tal solução permite a comunicação unidirecional entre o servidor e o usuário. Os ganhos alcançados no tempo de convergência para acurácia de 10 centímetros foram quantificados estatisticamente. A topologia de rede foi avaliada reduzindo o número de estações de referência (até 75%) usando uma configuração de rede esparsa. Na segunda etapa, o PPP-RTK é realizado usando o software PPP-Wizard 1.3, bem como os produtos para tempo real do CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) de órbitas, relógios e biases de fase de satélites. O RT-IPPP (RT-Integer PPP) é realizado com estimativa de atrasos troposféricos e ionosféricos. As correções ionosféricas e troposféricas são introduzidas como parâmetros a priori injuncionados no PPP-RTK. Para gerar correções ionosféricas, foi implementado um algoritmo baseado na ponderação pelo inverso da distância (IDW–Inverse Distance Weighting). As melhorias alcançadas no posicionamento horizontal com o uso das correções SSR externas de uma rede (densa ou esparsa) são promissoras e podem ser úteis para aplicações que dependem principalmente do posicionamento horizontal.

<p>Stanje Zemljine kore određeno je istovremenim i suprotstavljenim uticajem<br />endodinamičkih i egzodinamičkih procesa. Povr&scaron;inski slojevi omotača<br />Zemljine kore su u stalnom pokretu pod dejstvom uticaja, kao &scaron;to su<br />promena nivoa podzemnih voda, tektonske pojave, klizi&scaron;ta itd. Značajne<br />deformacije mogu se javiti kao posledica niza regionalnih i lokalnih<br />naponskih stanja, posebno u graničnim zonama litosfernih ploča, gde se<br />akumuliraju naponi i javljaju nelinearne innterseizmičke deformacije. U<br />disertaciji je prikazano istraživanje pomeranja Zemljine kore regionalnog<br />karaktera sa geodetskog aspekta, na osnovu ponovljenih opažanja metodom<br />satelitskog pozicioniranja, čime je dat doprinos multidisciplinarnom<br />razumevanju stanja Zemljine kore.</p> / <p>The state of the Earth&rsquo;s crust is determined by the simultaneous and opposed<br />influence of the endodynamic and exodynamic processes. The surface layers of<br />the Earth&rsquo;s crust envelope are in the state of permanent moving due to divers<br />influences, such as the level variation of underground waters, tectonic<br />phenomena, landslides, etc. Significant deformations can arise as a consequence<br />of a number of regional and local strain states, especially in the boundary zones<br />of lithosphere plates where strains are accumulated and non-linear interseismic<br />deformations appear. The subject of the thesis is a study of movements of the<br />Earth&rsquo;s crust of regional character from the aspect of geodesy, on the basis of<br />repeated observations by applying the satellite positioning method. In this way a<br />contribution is given to a multidisciplinary concept of the state of the Earth&rsquo;s crust.</p>

Nous proposons d'explorer dans le cadre de la thèse des solutions originales permettant d'obtenir des caractéristiques de rayonnement peu dépendantes du support de l'antenne. Les antennes étudiées et conçues visent à être utilisées pour des applications GNSS et plus précisément pour des applications multi-bandes du GNSS. Nous les développerons donc en respectant un cahier des charges associé. Deux axes de recherche indépendants sont explorés. Le premier montre les propriétés naturelles d'une antenne composée de plusieurs structures rayonnantes. Nous associons ainsi une structure hélicoïdale équivalente à un dipôle magnétique et un plan métallique équivalent à un dipôle électrique. La taille et les performances de l'antenne ainsi réalisée sont comparables par bien des aspects aux antennes que l'on trouve actuellement dans le commerce pour les applications GNSS. L'antenne réalisée est une antenne mono-bande en polarisation rectiligne ; ce qui n'est pas en accord avec les spécifications de l'application envisagée. Pour compléter cette première étude et satisfaire les exigences d'applications GNSS multi-bandes, nous nous orientons vers une autre technologie qui est exposé dans le second axe. Dans le second axe, nous associons une antenne électrique et un plan réflecteur particulier : une Surface Haute Impédance. L'association de ces deux éléments permet en théorie de réduire l'épaisseur qu'aurait un dispositif classique composé d'une antenne électrique et d'un plan réflecteur métallique. Nous commençons donc par étudier la particularité du plan réflecteur choisi, c'est-à-dire la Surface Haute Impédance. Cette surface étant composé de motifs périodiques nous étudierons le motif qui permet d'obtenir les caractéristiques les plus proches de celles de l'application visée. Nous débutons par une étude en monobande suivi de l'étude d'un motif bi-bande. Le motif mono-bande conçu en simulation présente une très bonne bande-passante (13%) au vue de sa taille minimale (2,5mm). Le motif bi-bande réalisé par imbrication de motifs mono-bande permet d'obtenir en simulation des performances conformes aux attentes dans deux bandes GNSS choisies. L'étude de cette surface se poursuit par une phase de mesure. Le but de l'étude étant de pouvoir placer une antenne au-dessus de la surface fabriquée, une collection d'antennes sera développée afin de régler la surface haute impédance et dans le même temps de tester le dispositif complet. Ainsi dans un premier temps, nous utiliserons des dipôles pour tester et régler la Surface Haute Impédance. Dans cette partie le couplage entre l'antenne et la surface haute impédance placée en-dessous sera notamment étudié. Dans un deuxième temps, afin d'obtenir une polarisation circulaire nous utiliserons d'autres antennes supportant cette polarisation (dipôle croisé et spirale). Dans chaque phase de mesure, le réglage antenne et Surface Haute Impédance sera optimisé et divers paramètres de réglage seront identifiés. Pour les deux axes de recherche, ce sont non seulement le rayonnement que nous cherchons à maîtriser mais aussi la taille de la structure. Ainsi les structures réalisées sont les plus compactes possibles surtout en terme de finesse. Nous concluons sur les performances des antennes réalisées par rapport au cahier des charges et aux autres antennes existantes et exposons les perspectives du travail réalisé / In this thesis, original solutions are proposed for antennas not sensitive to their environment. These antennas are designed for GNSS applications and more precisely for multi-bands ones. So the solutions are developed keeping in mind the GNSS specifications. Two different research axis are discussed. The first one deals with the natural properties of an antenna composed of different radiating structures. So an helix structure is associated with a metallic plate. The specifications of this antenna are in line with the ones of commercial antennas. Nevertheless, this antenna is only one band and in linear polarization which is not conform to the GNSS specifications. To satisfy these specifications a second axis is developed. In this second axis an electric antenna is associated with a specific reflector : a High Impendance Surface. Theorically, this surface allows to place the antenna very close and so reduce the thickness of the whole structure without disturbing the radiation of the antenna. Firstly, the High Impendance Surface and more precisely its periodic patterns is studied. Both one band and dual-band pattern are designed. The one band pattern has a good bandwidth (13%) compared to its size (2,5mm). The dual-band pattern designed by pattern enclosing realized the GNSS specifications in simulation. This is followed by measures. The aim of the thesis is to place the antenna above the designed HIS so a lot of antennas are designed to test and tune the surface. Firstly dipoles are used to study the coupling effects and secondly circular polarized antenna are used to reach the GNSS specifications. For both axis, the radiation pattern and the size of the whole system is optimized. So the proposed solutions are the thinnest ones. To conclude the characteristics of the proposed structures are compared to specifications and to existing antennas and future work is proposed

L’intégrité des signaux GNSS est définie comme la mesure de la confiance qui peut être placée dans l’exactitude des informations fournies par le système de navigation. Bien que le concept d’intégrité GNSS a été initialement développé dans le cadre de l’aviation civile comme une des exigences standardisées par l’Organisation de l’Aviation Civile Internationale (OACI) pour l’utilisation du GNSS dans les systèmes de Communication, Navigation, et Surveillance / Contrôle du Trafic Aérien (CNS/ATM), un large éventail d’applications non aéronautiques ont également besoin de navigation par satellite fiable avec un niveau d’intégrité garanti. Beaucoup de ces applications se situent en environnement urbain. Le contrôle d’intégrité GNSS est un élément clé des applications de sécurité de la vie (SoL), telle que l’aviation, et des applications exigeant une fiabilité critique comme le télépéage basé sur l’utilisation du GNSS, pour lesquels des erreurs de positionnement peuvent avoir des conséquences juridiques ou économiques. Chacune de ces applications a ses propres exigences et contraintes, de sorte que la technique de contrôle d’intégrité la plus appropriée varie d’une application à l’autre. Cette thèse traite des systèmes de télépéage utilisant GNSS en environnement urbain. Les systèmes de navigation par satellite sont l’une des technologies que l’UE recommande pour le Service Européen de Télépéage Electronique (EETS). Ils sont déjà en cours d’adoption: des systèmes de télépéage pour le transport poids lourd utilisant GPS comme technologie principale sont opérationnels en Allemagne et en Slovaquie, et un système similaire est envisagé en France à partir de 2013. À l’heure actuelle, le contrôle d’intégrité GPS s’appuie sur des systèmes d´augmentation (GBAS, SBAS, ABAS) conçus pour répondre aux exigences de l’OACI pour les opérations aviation civile. C´est la raison pour laquelle cette thèse débute par une présentation du concept d’intégrité en aviation civile afin de comprendre les performances et contraintes des systèmes hérités. La thèse se poursuit par une analyse approfondie des systèmes de télépéage et de navigation GNSS en milieu urbain qui permets de dériver les techniques de contrôle d’intégrité GNSS les plus adaptées. Les algorithmes autonomes de type RAIM ont été choisis en raison de leur souplesse et leur capacité d´adaptabilité aux environnements urbains. Par la suite, le modèle de mesure de pseudodistances est élaboré. Ce modèle traduit les imprécisions des modèles de correction des erreurs d’horloge et d’ephemeride, des retards ionosphériques et troposphériques, ainsi que le bruit thermique récepteur et les erreurs dues aux multitrajets. Les exigences d’intégrité GNSS pour l’application télépéage sont ensuite dérivées à partir de la relation entre les erreurs de positionnement et leur effets dans la facturation finale. Deux algorithmes RAIM sont alors proposés pour l’application péage routier. Le premier est l’algorithme basé sur les résidus de la solution des moindres carrés pondérés (RAIM WLSR), largement utilisé dans l’aviation civile. Seulement, un des principaux défis de l’utilisation des algorithmes RAIM classiques en milieux urbains est un taux élevé d’indisponibilité causé par la mauvaise géométrie entre le récepteur et les satellites. C’est pour cela que un nouvel algorithme RAIM est proposé. Cet algorithme, basé sur le RAIM WLSR, est conçu de sorte à maximiser l’occurrence de fournir un positionnement intègre dans un contexte télépéage. Les performances des deux algorithmes RAIM proposés et des systèmes de télépéage associés sont analysés par simulation dans différents environnements ruraux et urbains. Dans tous les cas, la disponibilité du nouvel RAIM est supérieure à celle du RAIM WLSR. / Global Navigation Satellite Systems (GNSS) integrity is defined as a measure of the trust that can be placed in the correctness of the information supplied by the navigation system. Although the concept of GNSS integrity has been originally developed in the civil aviation framework as part of the International Civil Aviation Organization (ICAO) requirements for using GNSS in the Communications, Navigation, and Surveillance / Air Traffic Management (CNS/ATM) system, a wide range of non-aviation applications need reliable GNSS navigation with integrity, many of them in urban environments. GNSS integrity monitoring is a key component in Safety of Life (SoL) applications such as aviation, and in the so-called liability critical applications like GNSS-based electronic toll collection, in which positioning errors may have negative legal or economic consequences. At present, GPS integrity monitoring relies on different augmentation systems (GBAS, SBAS, ABAS) that have been conceived to meet the ICAO requirements in civil aviation operations. For this reason, the use of integrity monitoring techniques and systems inherited from civil aviation in non-aviation applications needs to be analyzed, especially in urban environments, which are frequently more challenging than typical aviation environments. Each application has its own requirements and constraints, so the most suitable integrity monitoring technique varies from one application to another. This work focuses on Electronic Toll Collection (ETC) systems based on GNSS in urban environments. Satellite navigation is one of the technologies the directive 2004/52/EC recommends for the European Electronic Toll Service (EETS), and it is already being adopted: toll systems for freight transport that use GPS as primary technology are operational in Germany and Slovakia, and France envisages to establish a similar system from 2013. This dissertation begins presenting first the concept of integrity in civil aviation in order to understand the objectives and constraints of existing GNSS integrity monitoring systems. A thorough analysis of GNSS-based ETC systems and of GNSS navigation in urban environments is done afterwards with the aim of identifying the most suitable road toll schemes, GNSS receiver configurations and integrity monitoring mechanisms. Receiver autonomous integrity monitoring (RAIM) is chosen among other integrity monitoring systems due to its design flexibility and adaptability to urban environments. A nominal pseudorange measurement model suitable for integrity-driven applications in urban environments has been calculated dividing the total pseudorange error into five independent error sources which can be modelled independently: broadcasted satellite clock corrections and ephemeris errors, ionospheric delay, tropospheric delay, receiver thermal noise (plus interferences) and multipath. In this work the fault model that includes all non-nominal errors consists only of major service failures. Afterwards, the GNSS integrity requirements are derived from the relationship between positioning failures and toll charging errors. Two RAIM algorithms are studied. The first of them is the Weighted Least Squares Residual (WLSR) RAIM, widely used in civil aviation and usually set as the reference against which other RAIM techniques are compared. One of the main challenges of RAIM algorithms in urban environments is the high unavailability rate because of the bad user/satellite geometry. For this reason a new RAIM based on the WLSR is proposed, with the objective of providing a trade-off between the false alarm probability and the RAIM availability in order to maximize the probability that the RAIM declares valid a fault-free position. Finally, simulations have been carried out to study the performance of the different RAIM and ETC systems in rural and urban environments. In all cases, the availability obtained with the novel RAIM improve those of the standard WLSR RAIM.

Les systèmes de navigation par satellites GNSS ne cessent d’évoluer et ils sont déjà utilisés dans de nombreuses applications. Avec la venue des nouveaux systèmes Galileo et BeiDou ainsi que la modernisation des systèmes GPS et GLONASS, de nouveaux satellites ainsi que de nombreuses nouvelles fréquences et de nouveaux signaux feront leur apparition dans les prochaines années et qui vont encore ouvrir la porte à d’innombrables nouvelles applications. L’évolution rapide de la téléphonie mobile nécessite une meilleure exploitation des systèmes de navigation et de positionnement dans les environnements urbains.Jusqu'à maintenant, les signaux de navigation GPS ne peuvent pas être bien captés dans les environnements urbains. Les niveaux des signaux y sont très faibles et il est presque impossible d’acquérir et de poursuivre les signaux de façon autonome à cause de l'importance des obstacles. De plus, le positionnement à l’intérieur et dans les environnements urbains sont aussi soumis aux problèmes de multi-trajets, de masquage, d’interférences et de brouillages. Dans ces conditions, il faut pouvoir traiter des signaux très dégradés ou très courts qui ne permettent pas au récepteur d’effectuer le processus de poursuite. Ainsi, cela nous conduit à la nécessité de repenser l'architecture du récepteur GNSS pour les applications modernes.Ce projet de thèse consiste à développer de nouvelles méthodes et architectures de récepteur GNSS de haute sensibilité et robuste aux dégradations des signaux tout en concevant de nouveaux algorithmes intégrés dans un récepteur GNSS hybride capable de fonctionner dans les environnements urbains profonds ou « intérieurs ».La méthodologie prévoit l’utilisation de la nouvelle approche de « détection collective (CD) » ou « acquisition collaborative ». L'approche collaborative qui traite tous les signaux multi-satellites ouvre une solution intéressante. De nombreuses techniques existent dans la littérature pour résoudre les problèmes de positionnement dans les environnements urbains, mais nous proposons la nouvelle approche de détection collective en raison de sa performance en tant que méthode de positionnement direct et méthode d'acquisition de haute sensibilité, par l'application de la détection vectorielle de tous les satellites visibles. En effet, la bonne combinaison des valeurs de corrélation de plusieurs satellites peut réduire le niveau de C/N0 requis des signaux satellites par les algorithmes standards de traitement (acquisition et poursuite) qui ne peuvent pas être acquis individuellement mais permettent de contribuer de manière constructive à une solution collective de positionnement pour chaque utilisateur. L’objectif est de détecter collaborativement les satellites. La combinaison de différents signaux GNSS peut considérablement augmenter la sensibilité d'acquisition du récepteur. Malgré les avantages de cette approche, elle présente également des inconvénients tels que la charge de calcul élevée en raison du grand nombre de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Ainsi, le travail proposé dans cette thèse consiste à réduire la complexité du CD en optimisant la recherche de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Enfin, l'objectif est d'appliquer l'approche de détection collective au positionnement GNSS coopératif pour la navigation moderne dans des environnements difficiles. Pour cela, des algorithmes d'exploitation optimale des ressources du récepteur en sélectionnant les meilleurs satellites ou la station de référence seront développés selon certains critères tels que le niveau du rapport signal sur bruit (C/N_0), l’angle d’élévation des satellites ainsi que la configuration géométrique des satellites visibles. L’objectif final est de proposer une nouvelle architecture de récepteur cognitif de haute sensibilité permettant de recevoir de façon optimale les nouveaux signaux GNSS. / GNSS satellite navigation systems are constantly evolving and have been already used in many applications. With the advent of the new systems Galileo and BeiDou as well as the modernization of GPS and GLONASS systems, new satellites and numerous new frequencies and signals will appear in the coming years and will open door to countless new applications that are currently impossible. The rapid evolution of mobile telephony and personal navigation devices (PND) requires better use of navigation systems in non-ideal environments, especially the need for positioning in deep urban area. On the one hand, users are waiting for a high positioning accuracy, because of the proximity to various points of interest. On the other hand, urban environment brings specific difficulties in receiving GNSS signals.GNSS navigation signals cannot be properly captured in urban and "indoor" environments. Signal levels are very low and it is almost impossible to acquire and track signals autonomously because of the strong attenuation of signals due to obstacles. In addition, indoor and urban positioning are also subject to multipath problems, masking, interference and jamming. Under these conditions, we must be able to process highly degraded or very short signals that do not allow the receiver to go through the tracking process. Thus, this leads us to the need to rethink the architecture of GNSS receiver for modern applications.This thesis project consists of developing new GNSS methods and architectures of high sensitivity and robustness to signal degradations and designing new algorithms integrated into a hybrid GNSS receiver capable of operating in deep urban environments.The methodology involves the use of the new concept of “Collective Detection (CD)”, also called “collaborative acquisition”. The collaborative approach that treats multi-satellite signals all together opens an interesting solution. Many techniques exist in the literature to solve the problems of positioning in urban environments, but we propose the new Collective Detection approach because of its performance as both a Direct Positioning method, providing a coarse position/clock-bias solution directly from acquisition, and High-Sensitivity acquisition method, by application of vector detection of all satellites in view. Indeed, the correct combination of the correlation values of several satellites can reduce the required Carrier-to-Noise Ratio (C/N_0) level of the satellite signals which cannot be acquired individually by standard signal processing (acquisition and tracking) but make it possible to use them constructively to a positioning solution. The combination of different GNSS signals can considerably increase the acquisition sensitivity of the receiver. Despite the advantages of this approach, it also has drawbacks such as the high computational burden because of the large number of candidate points in the position/clock-bias domain. Thus, the work proposed in this thesis consists of reducing the complexity of the CD by optimizing the search for candidate points in position/clock-bias domain. Finally, the goal is to apply the CD approach to Cooperative GNSS Positioning for modern navigation in harsh environments. For that, algorithms for optimally exploiting receiver resources by selecting the best satellites or the reference station will be developed according to certain criteria such as the C/N_0 level, the elevation angle, and the geometric configuration of the visible satellites. The ultimate goal is to propose a design of a new smart receiver “High Sensitivity Cognitive GNSS Receiver (HS-CGR)” to optimally receive and process GNSS signals.

Grandes estruturas, sejam elas naturais ou artificiais, estão sujeitas a variações, em suas dimensões e posição, no espaço e no tempo. O monitoramento de estruturas está diretamente ligado com a segurança das mesmas, pois o colapso de uma estrutura artificial ou movimentação de estruturas naturais podem causar perdas econômicas, impactar o meio ambiente e ceifar vidas. Neste sentido o foco deste trabalho é aplicar a tecnologia GNSS (Global Navigation Satellite System) e redes geodésicas no monitoramento de estruturas. Para confirmar a ocorrência de deslocamentos utilizou-se o Teste de Congruência Global. Durante o desenvolvimento do trabalho foi proposto um método designado por Análise Geométrica, para fornecer indicação de possíveis deslocamentos. A metodologia proposta nesta pesquisa foi aplicada no monitoramento da barragem da Usina Hidrelétrica de Itaipu e pilares da sua rede de trilateração. Para o desenvolvimento da pesquisa foram realizadas quatro campanhas de observações. Os dados de cada campanha foram processados para determinar vetores, que posteriormente participaram de ajustamento vetorial pelo Método dos Mínimos Quadrados, para cada época de levantamento. O ajustamento forneceu coordenadas dos pontos da rede e a matriz variânvia-covariância, para cada época de observação. Estas informações foram combinadas duas a duas para aplicar a Análise Geométrica e o Teste de Congruência Global. Os resultados dos dois métodos de teste apresentaram boa correlação entre si e indicaram possíveis deslocamentos em pontos da rede de referência de monitoramento por trilateração e pontos da barragem. / Natural or artificial large structures are subjected to variations in their dimensions and position, in space and time. Structures monitoring is directly attended with their security, since the collapse of an artificial structure or displacement of natural structures can cause economic loss, impact the environment and cause the death of people. Hence, the aim of this study is to apply GNSS technologie (Global Navigation Satellite System) and geodetic networks in structures monitoring. In order to confirm the occurrence of the displacements the Global Congruence Test was employed. During the development of this study it was proposed a method so-called Geometric Analisys, to indicate possible displacements. The methodologie proposed in this research was applied to Itaipu hydro-electric power station and its trilateration networks. GNSS data was surveyed in four campaings. Data from each campaing were processed to determine vectors, which were posteriorly adjusted by means of the least squares method, for each survey epoch. The adjustment provided the coordinates of the network vertices and the covariance matrix, for each observation epoch. These informations were combined two by two to apply the Geometrical Analisys and the Global Congruence Test. Results from both test methods show good agreement and indicate possible displacements in vertices of the monitoring reference network and in object points of the dam.