Ce travail de thèse porte sur la modélisation des phénomènes de propagation affectant les signaux de navigation par satellite en environnement urbain dense avec une focalisation particulière sur les multitrajets et l'aspect large bande du canal de propagation espace/Terre. Le simulateur de canal pseudo temps-réel développé, SCHUN (Simplified CHannel for Urban Navigation), repose sur une approche hybride physico-statistique. La composante statistique de la modélisation permet essentiellement de générer une ville virtuelle à partir de distributions de bâtiments connues. Le reste de la modélisation s'appuie sur une approche physique simplifiée où les interactions ondes électromagnétiques/ville virtuelle reposent d'une part sur un modèle de macro-diffusion à l'échelle des façades, (3CM (Three Component Model)), et d'autre part sur un modèle physique de masquage du trajet direct par les bâtiments. Les principales méthodes numériques sous-jacentes sont l'optique physique et la théorie uniforme de la diffraction. Le simulateur de canal SCHUN ouvre aujourd'hui des perspectives intéressantes pour la modélisation large bande du canal de propagation espace/Terre. Optimisé pour des temps de calcul raisonnables, alliant une composante statistique à une composante physique simplifiée, ce simulateur a été conçu et validé par des mesures expérimentales pour répondre à des besoins de simulation des systèmes à diversité de satellite, diversité de réception, diversité de polarisation ou encore diversité de fréquence pour des applications de navigation par satellite. / This PhD work deals with land mobile satellite channel modelling and addresses the specific issue of satellite navigation systems in urban environments with a particular focus on multipath modelling and wide-band representation of the channel. The developed land mobile satellite channel simulator, SCHUN (Simplified CHannel for Urban Navigation), is based on a hybrid physical-statistical approach satisfying fast computation requirements. The statistical component of the modelling is mainly used during the virtual city synthesis step based on known statistical distributions of building height and street width. The rest of the modelling comes from deterministic methods using simplified electromagnetic interaction models reproducing building macro-scattering (3CM model (Three Component Model)) and building blockage of the direct path. The main underlying electromagnetic methods are the physical optics and the uniform theory of diffraction. The SCHUN simulator now opens interesting perspectives for the modelling of wide-band land mobile satellite propagation channel in dense urban environments. Optimised for pseudo real-time constraints, it uses both physical and statistical approaches. Furthermore, the SCHUN simulator has been designed and validated against measurements to answer specific needs of satellite diversity, receiving diversity, polarisation diversity or frequency diversity for satellite navigation applications.

De par le développement de nombreux services et d’applications de localisation (positionnement des téléphones mobiles, aide à la personne…), le positionnement urbain et à l’intérieur des bâtiments représente aujourd’hui un marché important. Cependant, ces environnements sont très contraignants pour les systèmes de positionnement par satellites, à cause du blocage du signal par les bâtiments, des multitrajets, des interférences, etc. Même si des adaptations du système de positionnement par satellites existent pour réduire ces problèmes (récepteur haute-sensibilité, Assisted-GPS, évolutions système), elles ne permettent pas d’atteindre une disponibilité, une continuité et une précision suffisantes en ville et à l’intérieur des bâtiments. Quelques alternatives au positionnement par satellites permettent de compléter ce dernier dans ces environnements difficiles. Ce sont, par exemple, d’autres capteurs de position (accéléromètres, magnétomètres, gyroscopes, odomètres, laser, vidéo), ou des systèmes radio dédiés (pseudolites, RFID, UWB) ou encore des signaux d’opportunités (SO). Les SO sont des signaux de communication (par exemple : des signaux téléphonie mobile, radio, TV, Wifi) qui sont utilisés opportunément pour faire du positionnement. Bien que ces signaux ne soient pas prévus pour de telles applications, ils ont l’avantage d’être nombreux et variés dans les villes et à l’intérieur des bâtiments. De plus, ils permettent, de par leur nature, une bonne intégration des services de positionnement et de communication. Parmi tous les SO envisageable, cette thèse se concentre sur ceux basés sur la modulation « Orthogonal Frequency Division Multiplexing » (OFDM), qui apparait comme un choix évident, du fait de son incroyable popularité parmi les standards de communication actuels et futurs (Wi-Fi, WiMAX, LTE, DVB-T/H/SH, DAB, T-DMB, ISDB-T, MediaFLO utilisent tous la modulation OFDM). Parmi tous les standard existants basés sur la modulation OFDM, le standard européen « Digital Video Broascasting – Terrestrial » de télévision numérique terrestre, a été choisi comme cas d’étude dans cette thèse car sa structure est relativement simple, permettant la réutilisation du travail pour d’autres standards basés sur la modulation OFDM et qu’il est déjà opérationnel et déployé en Europe, rendant possible des tests sur signaux réels. Une méthode de mesure de pseudodistance basée sur des mesures de temps de propagation et utilisant les signaux DVB-T a été développée. Cette méthode utilise des boucles à verrouillage de retard (DLL) et prend en compte la spécificité des canaux de propagation terrestres (nombreux multitrajets, signal direct parfois absent, évanouissement du signal reçu…). Les performances de cette méthode ont été déterminées théoriquement et validées par simulation, dans un cas idéal (canal de propagation gaussien). Cette étude théorique montre notamment un écart-type de l’erreur d’estimation de la pseudodistance de l’ordre du mètre pour des SNR supérieurs à -20 dB, soit 30 à 40 dB en dessous du SNR requis pour décoder le signal TV. Les performances dans un canal réaliste ont été déterminées empiriquement grâce à des tests sur signaux réels. Un banc de test à été développé . Il permet la réception de signaux TV avec deux antennes indépendantes et est muni d’un récepteur GPS pour avoir une référence de position et fournir une référence de temps au reste du banc de test. Des mesures sur signaux réels on été réalisées dans plusieurs environnements (rural, urbain et à l’intérieur de bâtiments) en utilisant un émetteur TV synchronisé sur le temps GPS ou deux émetteurs en réseau mono-fréquence (SFN). Les résultats des mesures sur signaux réels ont montré des écart-types de l’erreur d’estimation de pseudodistance de l’ordre de la dizaine de mètres, avec de meilleures performances en environnement rural (car moins de multitrajets) et une amélioration de la performance lors de l’utilisation de la diversité d’antenne. / The recent years have shows a growing interest in urban and indoor positioning with the development of applications such as car navigation, pedestrian navigation, local search and advertising and others location-based-services (LBS). However, in urban and indoor environment the classical mean of positioning, the Global Positioning Satellite System (GNSS) has limited availability, accuracy, continuity and integrity due to signal blockage by building, intense multipath conditions and interferences from the other signals, abundant in metropolitan areas. Even some improvements of GNSS can reduce these issues (high-sensitivity receiver, assisted-GNSS, multi-constellation GNSS…), they do not permit to reach sufficient performance in deep urban and indoor environments. However, some alternatives to GNSS allow complementing it in difficult environments. They are, for example, additional sensors (accelerometers, gyrometers, magnetometers, odometers, laser, and video), radiofrequency systems dedicated to positioning (pseudolites, RFID, UWB) or signals of opportunity (SoO). SoO are telecommunication signals (as mobile phone, TV, radio, Wi-Fi) that are used opportunely to provide a positioning service. Even if these signals are not designed for such application, they have the advantages to be many and varied in urban and indoor environments. In addition they allow, by definition, a good integration of communication and positioning services. Among all the SoO available, this thesis focuses on the one based on the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) modulation. This choice is motivated by the important popularity of this modulation, that has been chosen in several actual and future telecommunication and broadcasting standards (Wi-Fi, WiMAX, LTE, DVB-T/H/SH, DAB, T-DMB, ISDB-T, MediaFLO…). Among this standard using the OFDM modulation, the European standard for digital television called “Digital Video Broadcasting – Terrestrial” (DVB-T) has been selected to be studied in this thesis. The choice is motivated by the relatively simple definition of this standard, allowing reuse of the work for other OFDM standards, and also because it is already operational in Europe, allowing tests on real signals. A method to obtain ranging measurements based on timing synchronization using DVB-T signals has been developed. This method uses delay lock loops (DLL) and takes into account the specificity of the terrestrial propagation channel (many multipathes, direct signal sometimes absent, quick variation of received power…). The performance of the method has been determinate theoretically and validated by simulation, in an ideal case (i.e.; with a Gaussian propagation channel). This theoretical study has proven than the ranging error standard deviation has an order of magnitude of 1 meter, for signal to noise ratio of about -20 dB, a SNR 40 dB under the demodulation threshold of the TV signal. The performance in a realistic propagation channel has been determined on real signal. For that purpose a test bench has been developed. It allows to receive and record TV signals on two synchronized antennas and it includes and GPS receiver to record a reference position and provide a GPS time reference to the test bench. Tests on real signals have been realized in several environments (sub-urban, urban and indoor) using 1 emitter synchronized on GPS time and 2 emitters in a signal frequency network (SFN). The results of these tests on real signals showed a precision of the ranging estimation of about 10 meters with a better performance in rural environment and an improvement of the ranging estimate using antenna diversity. Finally, the thesis proves the feasibility of positioning with signal using the OFDM modulation, with a technique that can be easily tailored to other OFDM signal than DVB-T.

De nombreuses solutions sont développées pour diminuer l'influence des multitrajets sur la précision et la disponibilité des systèmes GNSS. L'intégration de capteurs supplémentaires dans le système de localisation est l'une des solutions permettant de compenser notamment l'absence de données satellitaires. Un tel système est certes d'une bonne précision mais sa complexité et son coût limitent un usage très répandu.Cette thèse propose une approche algorithmique destinée à améliorer la précision des systèmes GNSS en milieu urbain. L'étude se base sur l'utilisation des signaux GNSS uniquement et une connaissance de l'environnement proche du récepteur à partir d'un modèle 3D du lieu de navigation.La méthode présentée intervient à l'étape de filtrage du signal reçu par le récepteur GNSS. Elle exploite les techniques de filtrage statistique de type Monte Carlo Séquentiels appelées filtre particulaire. L'erreur de position en milieu urbain est liée à l'état de réception des signaux satellitaires (bloqué, direct ou réfléchi). C'est pourquoi une information sur l'environnement du récepteur doit être prise en compte. La thèse propose également un nouveau modèle d'erreurs de pseudodistance qui permet de considérer les conditions de réception du signal dans le calcul de la position.Dans un premier temps, l'état de réception de chaque satellite reçu est supposé connu dans le filtre particulaire. Une chaîne de Markov, valable pour une trajectoire connue du mobile, est préalablement définie pour déduire les états successifs de réception des satellites. Par la suite, on utilise une distribution de Dirichlet pour estimer les états de réception des satellites

De nombreuses solutions sont développées pour diminuer l'influence des multitrajets sur la précision et la disponibilité des systèmes GNSS. L'intégration de capteurs supplémentaires dans le système de localisation est l'une des solutions permettant de compenser notamment l'absence de données satellitaires. Un tel système est certes d'une bonne précision mais sa complexité et son coût limitent un usage très répandu.Cette thèse propose une approche algorithmique destinée à améliorer la précision des systèmes GNSS en milieu urbain. L'étude se base sur l'utilisation des signaux GNSS uniquement et une connaissance de l'environnement proche du récepteur à partir d'un modèle 3D du lieu de navigation.La méthode présentée intervient à l'étape de filtrage du signal reçu par le récepteur GNSS. Elle exploite les techniques de filtrage statistique de type Monte Carlo Séquentiels appelées filtre particulaire. L'erreur de position en milieu urbain est liée à l'état de réception des signaux satellitaires (bloqué, direct ou réfléchi). C'est pourquoi une information sur l'environnement du récepteur doit être prise en compte. La thèse propose également un nouveau modèle d'erreurs de pseudodistance qui permet de considérer les conditions de réception du signal dans le calcul de la position.Dans un premier temps, l'état de réception de chaque satellite reçu est supposé connu dans le filtre particulaire. Une chaîne de Markov, valable pour une trajectoire connue du mobile, est préalablement définie pour déduire les états successifs de réception des satellites. Par la suite, on utilise une distribution de Dirichlet pour estimer les états de réception des satellites / Most of the GNSS-based transport applications are employed in dense urban areas. One of the reasons of bad position accuracy in urban area is the obstacle's presence (building and trees). Many solutions are developed to decrease the multipath impact on accuracy and availability of GNSS systems. Integration of supplementary sensors into the localisation system is one of the solutions used to supply a lack of GNSS data. Such systems offer good accuracy but increase complexity and cost, which becomes inappropriate to equip a large fleet of vehicles.This thesis proposes an algorithmic approach to enhance the position accuracy in urban environment. The study is based on GNSS signals only and knowledge of the close reception environment with a 3D model of the navigation area.The method impacts the signal filtering step of the process. The filtering process is based on Sequential Monte Carlo methods called particle filter. As the position error in urban area is related to the satellite reception state (blocked, direct or reflected), information of the receiver environment is taken into account. A pseudorange error model is also proposed to fit satellite reception conditions. In a first work, the reception state of each satellite is assumed to be known. A Markov chain is defined for a known trajectory of the vehicle and is used to determine the successive reception states of each signal. Then, the states are estimated using a Dirichlet distribution

Les systèmes de navigation par satellite (GNSS) font partie de notre quotidien. On peut présentement les trouver dans un ensemble d’applications. Avec les nouveaux besoins, des nouveaux enjeux sont aussi apparus : le traitement du signal dans les environnements urbains est extrêmement complexe. Dans cette thèse, le traitement des signaux GNSS à faible puissance est abordé, en particulier dans la première phase du traitement, nommé acquisition de signal. Le premier axe de rechercheporte sur l’analyse et la compensation de l’effet Doppler dans l’acquisition. Le décalage Doppler perçu par l’utilisateur est un des paramètres principaux pour la configuration du module d’acquisition. Dans cette étude, des solutions sont proposées pour trouver le meilleur compromis sensibilité-complexité propre à l’acquisition. En deuxième axe, la caractérisation des détecteurs différentiels est abordée, en particulier la quantification de sa sensibilité. Pour l’acquisition des signaux faibles, après une première phase d’intégration cohérente, il faut passer par une intégration «postcohérente» (noncohérente ou différentielle.) L’analyse exécutée ici permet de meilleur identifier le meilleur choix entre les deux possibilités. Le troisième axe de recherche est consacré à la méthode de Détection Collective (CD), une innovation qui fait l’acquisition simultanée de tous les signaux visible par le récepteur. Plusieurs analyses sont réalisées incluant l’amélioration de la procédure de recherche de la CD, et l’hybridisation avec l’acquisition standard. Enfin on effectuel’analyse de la CD dans un contexte multi-constellation, en utilisant simultanément des vrais signaux GPS et Galileo. / Satellite navigation (GNSS) is a constant in our days. The number of applications that depend on it is already remarkable and is constantly increasing. With new applications, new challenges have also risen: much of the new demand for signals comes from urban areas where GNSS signal processing is highly complex. In this thesis the issue of weak GNSS signal processing is addressed, in particular at the first phase of the receiver processing, known as signal acquisition. The first axe of research pursued deals with the analysis and compensation of the Doppler effect in acquisition. The Doppler shift that is experienced by a user is one of the main design drivers for the acquisitionmodule and solutions are proposed to improve the sensitivity-complexity trade-off typical of the acquisition process. The second axe of research deals with the characterization of differential GNSS detectors. After a first step of coherent integration, transition to post coherent (noncoherent or differential) integration is required for acquiring weak signals. The quantification of the sensitivity of differential detectors was not found in literature and is the objective of this part of the research. Finally, the third axe of research is devoted to multi-constellation Collective Detection (CD). CD is an innovative approach for the simultaneous processing of all signals in view. Severalissues related to CD are addressed, including the improvement of the CD search process and the hybridization with standard acquisition. Finally, the application of this methodology in the context of a multi-constellation receiver is also addressed, by processing simultaneously real GPS and Galileo signals.

En environnements hostiles, les signaux GNSS (Global Navigation Satellite System)peuvent être soumis à des risques de brouillages intentionnels. Basées sur un réseau d'antennes adaptatif, les solutions spatio-temporelles (STAP) ont déjà montré de bonnes performances de réjection des interférences. Toutefois, lorsque le module GNSS est placé sous les pales d'un hélicoptère, des effets non-stationnaires, appelés Rotor Blade Modulation (RBM), créés par les multiples réflexions du signal sur les pales du rotor, peuvent dégrader les techniques usuelles d’antibrouillage. Le signal utile GNSS n’est alors plus accessible. Le travail de la thèse consiste donc à élaborer un système de protection des signaux GNSS adapté à la RBM. Pour cela, un modèle innovant de multitrajets, adapté à ce type de phénomène, a été développé. La comparaison de simulations électromagnétiques représentatives et de mesures expérimentales sur hélicoptère EC-120 a permis de valider ce modèle. Celui-ci permet d'estimer, par maximum de vraisemblance, les paramètres de la contribution non-stationnaire du signal reçu. Enfin, l'association d'un algorithme de filtrage des multitrajets par projection oblique et d'un traitement STAP permet d'éliminer la contribution dynamique puis statique de l'interférence. Les simulations montrent que le signal utile GNSS est alors de nouveau exploitable. / In hostile environments, Global Navigation Satellite System (GNSS) can be disturbed by intentional jamming. Using antenna arrays, space-time adaptive algorithm (STAP) isone of the most efficient methods to deal with these threats. However, when a GNSS receiver is placed near rotating bodies, non-stationary effects called Rotor Blade Modulation (RBM) are created by the multipaths on the blades of the helicopter. They can degrade significantly the anti-jamming system and the signal of interest could belost. The work of the thesis is, consequently, to develop a GNSS protection system adapted to the RBM. In this way, an innovative multipath model, adapted to this phenomenon, has been developed. The model is then confirmed by comparison with a symptotic electromagnetic simulations and experiments conducted on an EC-120helicopter. Using a Maximum Likelihood algorithm, the parameters of the non-stationary part of the received signal have been estimated. And finally, the RBM anti-jamming solution, combining oblique projection algorithm and academic STAP, can mitigate dynamic and static contributions of interferences. In the end, the navigation information is available again.