Les systèmes GNSS sont actuellement utilisés en aviation civile pour estimer la position et la vitesse de l'avion pendant les phases de route jusqu'aux approches de précision. Etendre l'utilisation de GNSS aux opérations de surface en environnement aéroportuaire et sous de faibles conditions de visibilité reste un challenge pour la communauté aviation civile. En effet, durant ces opérations, les mesures GNSS peuvent être affectées par des évènements singuliers tels que les multi-trajet ou les anomalies ionosphériques. Ces évènements peuvent engendrer des erreurs de position jugées inacceptables en termes de précision et d'intégrité pour assurer le guidage de l'avion. Les algorithmes de surveillance d'intégrité GNSS actuellement utilisés ne sont pas conçus pour prendre totalement en compte les effets de tels évènements. Il est essentiel de développer des algorithmes de surveillance conçus pour protéger les utilisateurs des effets de tels évènements afin de pouvoir utiliser GNSS pour le guidage de l'avion en milieu aéroportuaire et sous de faibles conditions de visibilité. Afin de concevoir de tels algorithmes de surveillance d'intégrité, il est nécessaire de développer des modèles d'erreurs de mesures GNSS et des modèles de pannes GNSS. La thèse a été principalement orientée vers la conception de modèles d'erreurs de mesures GNSS dues aux multi-trajets et vers le développement de modèles de pannes GNSS dues aux multi-trajets. Pour ce faire, un modèle d'erreurs multi-trajets GNSS sur les mesures bi-fréquence GPSL1C+GPSL5 et GalileoE1+GalileoE5a a d'abord été proposé. Ensuite, l'impact des multi-trajets sur l'erreur de position a été étudié. Pour cette étude, un algorithme de couplage serré GPS+Galileo/IRS a été considéré. Cet algorithme est basé sur un filtre de Kalman linéarisé. Une analyse théorique et quantitative a été conduite pour étudier l'impact des erreurs de mesures GNSS dues aux multi-trajets sur le biais et sur la matrice de covariance de l'erreur de position horizontale en sortie de l'algorithme de positionnement considéré. Finalement, un modèle de pannes GNSS dues aux multi-trajets a été proposé. Ce modèle décrit la signature des pannes multi-trajets, les facteurs influençant cette signature, le modèle d'occurrence des pannes multi-trajets ainsi que les conditions d'occurrence de telles pannes / GNSSs are currently used in civil aviation to provide aircraft with position and velocity estimates from en-route to precision approach operations. Extending the use of GNSS to the guidance function during airport surface operations and under zero-visibility conditions remains a challenge. Indeed, during these operations, GNSS measurements may be affected by GNSS singular events, such as multipath or ionosphere anomalies. GNSS singular events may lead to unacceptable position errors in terms of accuracy and integrity for the zero-visibility guidance function. Current GNSS integrity monitoring systems are not designed to totally account for the GNSS singular event effects. The development of GNSS integrity monitoring systems designed to properly protect users from the singular event effects is essential to use GNSS for the guidance function under zero-visibility conditions. GNSS measurement error and integrity failure models are key inputs in the design of GNSS integrity monitoring systems. In this thesis, work has been mainly focused on the development of GNSS multipath measurement errors, on the assessment of the multipath impact on the GNSS-based position error, and on the development of GNSS multipath integrity failure models. For this matter, the dual frequency GPSL1C+GPSL5 and GalileoE1+GalileoE5a multipath pseudo- range error model adapted to airport navigation has been firstly proposed. Next, the impact of multipath on the GNSS-based position error has been assessed. To do so, a double constellation GPS+Galileo/IRS tight coupling algorithm based on a linearized Kalman filter has been selected. The theoretical and quantitative analysis of the impact of the GNSS multipath ranging errors on the horizontal position bias and on the covariance matrix of the horizontal position error have been proposed. Finally, a GNSS multipath integrity failure model has been proposed. The model describes the signature of the GNSS single multipath ranging failures, the factors influencing the signature as well as the occurrence model of these failures and their conditions of occurrence.

Durant la dernière décennie, les systèmes de navigation par satellites ont obtenu une place majeure dans le développement d’application de navigation urbaine et les services associés. L’environnement urbain pose plusieurs défis à la réception des signaux GNSS, comprenant les multi-trajets et le phénomène de blocage des signaux directs, qui peuvent se traduire dans le domaine de la position, par une diminution de la précision de la solution de navigation voire par une indisponibilité de la position. Dans cette situation, la poursuite vectorielle constitue une approche intéressante capable de contrecarrer les effets propres à un environnement urbain tels que les multi-trajets, les réceptions de signaux non directs et les interruptions de signal. Cette thèse s’intéresse particulièrement à la proposition et au design d’une architecture double constellation GPS + Galileo, mono-fréquence L1/E1 VDFLL pour les véhicules routiers en milieu urbain. Concernant la navigation, le VDFLL représente une application concrète de la fusion d’information dû au fait que tous les canaux de poursuite sont contrôlés par le même filtre de navigation sous la forme d’un Filtre de Kalman Étendu (EKF). Le choix de l’architecture double constellation mono-fréquence a pour but d’augmenter le nombre de mesures et garantit une faisabilité bas coût du récepteur mobile. De plus, l’utilisation des signaux de mono-fréquence L1 implique la prise en compte des perturbations causées par la ionosphère. Malgré l’application des modèles de corrections ionosphérique, un résidu d’erreur ionosphérique reste toujours présent. L’originalité de ce travail repose sur l’implémentation d’une architecture VDFLL double constellation capable d’estimer le résidu d’erreurs ionosphériques présent sur les observations reçues. Ce doctorat analyse les avantages apportés par la solution proposée par rapport à la poursuite scalaire au regard de performances de positionnement et de robustesse de poursuite dans le cadre d’une trajectoire de véhicule en milieu urbain et en présence de multi-trajets et de résidus d’erreur ionosphérique. / In the last decade, Global Navigation Satellites Systems (GNSS) have gained a significant position in the development of urban navigation applications and associated services. The urban environment presents several challenges to GNSS signal reception, such as multipath and GNSS Line-of-Sight (LOS) blockage, which are translated in the positioning domain in a decreased navigation solution accuracy up to the lack of an available position. For this matter, Vector Tracking (VT) constitutes a promising approach able to cope with the urban environment-induced effects including multipath, NLOS reception and signal outages. This thesis is particularly focused on the proposal and design of a dual constellation GPS + Galileo single frequency L1/E1 Vector Delay Frequency Lock Loop (VDFLL) architecture for the automotive usage in urban environment. From the navigation point of view, VDFLL represents a concrete application of information fusion, since all the satellite tracking channels are jointly tracked and controlled by the common navigation Extended Kalman filter (EKF). The choice of the dual-constellation single frequency vector tracking architecture ensures an increased number of observations and at the same time allowing the conservation of the low-cost feasibility criteria of the mobile user’s receiver. Moreover, the use of single frequency L1 band signals implies the necessity of taking into account the ionospheric error effect. In fact, even after the application of the ionosphere error correction models, a resultant ionospheric residual error still remains in the received observations. The originality of this work relies on the implementation of a dual-constellation VDFLL architecture, capable of estimating the ionosphere residual error present in the received observations. This dissertation investigates the VDFLL superiority w.r.t the scalar tracking receiver in terms of positioning performance and tracking robustness for a real car trajectory in urban area in the presence of multipath and ionosphere residual error.

Les GNSS sont désormais largement présents dans le domaine des transports. Actuellement, la communauté scientifique désire développer des applications nécessitant une grande précision, disponibilité et intégrité.Ces systèmes offrent un service de position continu. Les performances sont définies par les paramètres du système mais également par l'environnement de propagation dans lequel se propagent les signaux. Les caractéristiques de propagation dans l'atmosphère sont connues. En revanche, il est plus difficile de prévoir l'impact de l'environnement proche de l'antenne, composé d'obstacles urbains. L'axe poursuivit par le LEOST et le LAGIS consiste à appréhender l'environnement et à utiliser cette information en complément de l'information GNSS. Cette approche vise à réduire le nombre de capteurs et ainsi la complexité du système et son coût. Les travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse permettent principalement de proposer des modélisations d'erreur de pseudodistances et des modélisations de l'état de réception encore plus réalistes. Après une étape de caractérisation de l'erreur, plusieurs modèles d'erreur de pseudodistance sont proposés. Ces modèles sont le mélange fini de gaussiennes et le mélange de processus de Dirichlet. Les paramètres du modèle sont estimés conjointement au vecteur d'état contenant la position grâce à une solution de filtrage adaptée comme le filtre particulaire Rao-Blackwellisé. L'évolution du modèle de bruit permet de s'adapter à l'environnement et donc de fournir une localisation plus précise. Les différentes étapes des travaux réalisés dans cette thèse ont été testées et validées sur données de simulation et réelles.

Les GNSS sont désormais largement présents dans le domaine des transports. Actuellement, la communauté scientifique désire développer des applications nécessitant une grande précision, disponibilité et intégrité.Ces systèmes offrent un service de position continu. Les performances sont définies par les paramètres du système mais également par l’environnement de propagation dans lequel se propagent les signaux. Les caractéristiques de propagation dans l’atmosphère sont connues. En revanche, il est plus difficile de prévoir l’impact de l’environnement proche de l’antenne, composé d’obstacles urbains. L’axe poursuivit par le LEOST et le LAGIS consiste à appréhender l’environnement et à utiliser cette information en complément de l’information GNSS. Cette approche vise à réduire le nombre de capteurs et ainsi la complexité du système et son coût. Les travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse permettent principalement de proposer des modélisations d'erreur de pseudodistances et des modélisations de l'état de réception encore plus réalistes. Après une étape de caractérisation de l’erreur, plusieurs modèles d’erreur de pseudodistance sont proposés. Ces modèles sont le mélange fini de gaussiennes et le mélange de processus de Dirichlet. Les paramètres du modèle sont estimés conjointement au vecteur d’état contenant la position grâce à une solution de filtrage adaptée comme le filtre particulaire Rao-Blackwellisé. L’évolution du modèle de bruit permet de s'adapter à l’environnement et donc de fournir une localisation plus précise. Les différentes étapes des travaux réalisés dans cette thèse ont été testées et validées sur données de simulation et réelles. / Today, the GNSS are largely present in the transport field. Currently, the scientific community aims to develop transport applications with a high accuracy, availability and integrity. These systems offer a continuous positioning service. Performances are defined by the system parameters but also by signal environment propagation. The atmosphere propagation characteristics are well known. However, it is more difficult to anticipate and analyze the impact of the propagation environment close to the antenna which can be composed, for instance, of urban obstacles or vegetation.Since several years, the LEOST and the LAGIS research axes are driven by the understanding of the propagation environment and its use as supplementary information to help the GNSS receiver to be more pertinent. This approach aims to reduce the number of sensors in the localisation system, and consequently reduces its complexity and cost. The work performed in this thesis is devoted to provide more realistic pseudorange error models and reception channel model. After, a step of observation error characterization, several pseudorange error models have been proposed. These models are the finite gaussian mixture model and the Dirichlet process mixture. The model parameters are then estimated jointly with the state vector containing position by using adapted filtering solution like the Rao-Blackwellized particle filter. The noise model evolution allows adapting to an urban environment and consequently providing a position more accurate.Each step of this work has been tested and evaluated on simulation data and real data.