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

En autorisant de nouveaux services centrés sur l'utilisateur (navigation indoor contextuelle, surveillance/inventaire de biens personnels, etc.), les nouvelles fonctions de radiolocalisation sont en passe de modifier en profondeur les usages liés à la mobilité. Dans ce contexte, la technologie radio ultra large bande impulsionnelle (IR-UWB), qui permet en théorie d'apprécier le temps de vol des impulsions transmises à l'échelle de la nanoseconde et donc, la distance séparant l'émetteur du récepteur avec une précision de l'ordre de quelques dizaines de centimètres seulement, a été régulièrement mise en avant ces dix dernières années. En dépit de ces bonnes dispositions, l'obstruction des liens radio par le(s) corps ou les obstacles (murs, mobilier...) donne toutefois lieu à des erreurs significatives sur les distances mesurées, dégradant d'autant les performances de positionnement, en particulier en environnements fermés (ex. indoor). Dans le cadre de cette thèse, on se proposait d'exploiter une architecture intégrée de récepteur IR-UWB, permettant d'estimer la réponse du canal multi-trajets dans son ensemble, afin d'améliorer la fonction de localisation. Une étude détaillée de ce canal radio mobile, tel que perçu par le récepteur, a d'abord été menée, débouchant sur une interprétation déterministe (c'est-à-dire géométrique) de l'évolution temporelle relative des composantes multi-trajets, ainsi qu'à une modélisation de leur interférence mutuelle. En s'appuyant sur l'étude précédente, des algorithmes de détection, d'association et de suivi des impulsions reçues (ex. batterie de filtres de Kalman à hypothèses multiples) ont alors été proposés. Ces différentes propositions tirent profit des spécificités de l'architecture du récepteur, en visant d'une part, à exploiter la cohérence spatio-temporelle des composantes multi-trajets résolues en réception, et d'autre part, à minimiser l'effet néfaste de leurs collisions au sein de canaux mobiles particulièrement denses (ex. via une estimation de canal multi-bandes). Les solutions apportées permettent en particulier, pour chaque lien radio en situation de non-visibilité, de corriger le temps d'arrivée des trajets directs manquants à partir de trajets secondaires suivis, tout en autorisant l'utilisation d'une structure de filtre classique pour la poursuite du mobile (c'est-à-dire, alimenté par plusieurs liens radio ainsi "corrigés" vis-à-vis de différentes balises fixes). Ces développements algorithmiques ont d'abord été validés par le biais de simulations (à partir d'un outil semi-déterministe, incluant un modèle de récepteur complet), avant d'être appliqués à un jeu de données réelles, issues de dispositifs radio IR-UWB commercialisés par la société BeSpoon. / By making possible unprecedented user-centric services (monitoring/smart inventory of personal goods, context-aware indoor navigation, etc.), new radiolocation capabilities are on the verge of modifying in depth mobility-based usages. In this context, the impulse radio - ultra wideband technology (IR-UWB), which theoretically enables to estimate the arrival time of transmitted pulses at the nanosecond scale and hence, the relative distance between a transmitter and a receiver within a few tens of centimeters, has been regularly put forward for the last past decade. In spite of these good intrinsic properties, the obstruction of radio links, either by the carrying body itself or by surrounding obstacles (walls, pieces of furniture. . . ), can result in significant errors on unitary range measurements, degrading the overall positioning performance accordingly, in particular in confined environments (e.g., indoor). In the frame of this PhD work, the main idea was to rely on an integrated IR-UWB receiver architecture, which has the capability to finely estimate the entire multipath profile, in order to improve the localization functionality. An in-depth study of the mobile multipath channel, as perceived by the previous receiver, has been conducted first, leading to the deterministic interpretation (i.e., from a geometric point of view) of the relative temporal evolution of multipath components, as well as to the modelling of their mutual interference. Based on these preliminary investigations, adapted multipath detection, association and tracking algorithms have been proposed (e.g., multi-hypothesis Kalman filters in parallel). All these proposals benefit from the receiver specificities, aiming at capturing the space-time correlation of multipath components under mobility, while minimizing harmful interference effects in dense channels (e.g., by means of combined multi-band channel estimations). In particular, for each non-line-of-sight link independently, the previous solutions allow to correct the estimated arrival time of the missing direct path out of the tracked secondary paths, while enabling the use of a conventional structure for the mobile tracking filter (i.e., fed by several "corrected" links with respect to distinct base stations). These algorithmic developments were first validated by means of simulations (using a semideterminist tool including a complete model of the receiver), before being applied to a measurement data set issued by IR-UWB devices commercialized by the BeSpoon company.

Cette thèse s'inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l'Information de l'Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d'un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d'une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35μm conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d'enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d'estimation de la distance entre deux dispositifs d'un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L'étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d'arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSC

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

Le Timepix3, successeur du Timepix, est un détecteur au silicium composé de deux couches sensibles installées en parallèle. Chaque couche est munie d’une matrice de 65 536 pixels (256x256) et d’une épaisseur de 500 μm. Une des améliorations du Timepix3 par rapport aux générations précédentes est qu’il est possible de récolter simultanément la quantité de charge déposée ainsi que le temps d’arrivée de cette charge. Pour la prise de données Run 3 du LHC qui a débuté en 2022, 16 détecteurs Timepix3 ont été installés dans la caverne du détecteur ATLAS. Les Timepix3 seront utilisés pour mesurer la luminosité du faisceau du LHC ainsi que pour caractériser et mesurer la radiation dans la caverne ATLAS, où beaucoup de composantes électroniques sont installés. L’objet de cette maitrise est de développer un algorithme d’identification des particules qui frappe le détecteur Timepix3. Dans un premier temps, l’information de la quantité d’énergie déposée et du temps d’arrivée sera utilisée pour caractériser un champ de particules incidentes au détecteur Timepix3 (électrons, photons, particules lourdes chargées). La nouvelle méthode consiste à utiliser les paramètres physiques des particules lors de leurs interactions avec le milieu, tels que la trajectoire, l’angle d’incidence, le dépôt d’énergie, la densité spatiale de l’amas, densité énergétique le long de la trajectoire de la particule incidente. Dans un second temps, comme les rayons delta sont des effets récurrents et indésirables qui perturbent l’analyse des données en physique des particules, ce mémoire traitera de la façon de les supprimer pour ne récolter que l’énergie déposée directement par la particule incidente. Il sera aussi question d’utiliser la statistique liée à la production des rayons delta lors du passage d’un flux de particules dans le détecteur pour en déterminer l’énergie cinétique. L’algorithme développé pour caractériser un champ de particules avec le Timepix3 a été confronté aux données obtenues avec un cyclotron de protons à Aahrus au Danemark. Nous avons obtenu des résultats satisfaisants, étant donné que la majorité des particules sont identifiées comme des protons et que nous avons réussi à déterminer l’énergie cinétique de ces protons qui se rapproche de l’énergie cinétique du faisceau de protons utilisé. / The Timepix3, successor to the Timepix, is a silicon detector composed of two sensitive layers mounted in parallel. Each layer has a matrix of 65 536 pixels (256x256) and a thickness of 500 μm. One of the improvements of the Timepix3 compared to previous generations is that it is possible to simultaneously collect the quantity of charge deposited as well as the time of arrival of this charge. For the LHC Run 3 data taking which started in 2022, 16 Timepix3 detectors were installed in the ATLAS detector cavern. The Timepix3 will be used to measure the luminosity of the LHC beam as well as to characterize and measure the radiation in the ATLAS cavern, where many electronic components are installed. The purpose of this master thesis is to develop an algorithm for identifying particles that strike the Timepix3 detector. Initially, information on the amount of energy deposited and the time of arrival will be used to characterize a field of particles incident at the Timepix3 detector (electrons, photons, heavy charged particles). The new method consists in using the physical parameters of the particles during their interactions with the medium, such as the trajectory, the angle of incidence, the energy deposition, the spatial density of the cluster, energy density along the trajectory of the incident particle. Secondly, as delta rays are recurring and undesirable effects which disturb the analysis of data in particle physics, this thesis will deal with how to suppress them in order to harvest only the energy deposited directly by the incident particle. It will also be a question of using the statistics linked to the production of delta rays when a flow of particles passes through the detector to determine their kinetic energy. The algorithm developed to characterize a particle field with the Timepix3 was confronted with data obtained with a proton cyclotron at Aahrus in Denmark. We have obtained satisfactory results, given that the majority of the particles are identified as protons and that we have succeeded in determining the kinetic energy of these protons which is close to the kinetic energy of the proton beam used.

Dans les décennies à venir, la connaissance d’informations très précises concernant la position d’un objet permettra de créer des applications révolutionnaires dans les domaines sociaux, médicaux, commerciaux et militaires. La technologie Ultra-Wideband (UWB) est considérée comme un bon candidat permettant de fournir des capacités de localisation précise grâce à la mesure de l’estimation du temps d'arrivée (TOA). Dans cette thèse, des algorithmes de mesure de distance dans le cas multi-utilisateurs pour des systèmes UWB sont étudiés afin d'atteindre une bonne précision pour une faible complexité, avec de la robustesse aux interférences multi-utilisateur et dans le cas d’un grand nombre d'utilisateurs. Au cours de la dernière décennie, les signaux chaotiques ont reçu une attention significative en raison d'un certain nombre de caractéristiques intéressantes. Les signaux chaotiques sont des signaux non périodiques, déterministes ou considérés comme pseudo-aléatoires provenant de systèmes dynamiques non linéaires. Leur bonne autocorrélation et leurs faibles propriétés d’inter corrélation les rendent particulièrement résistants aux évanouissements par trajets multiples et capables d'atténuer les interférences multi-utilisateur (MUI). En raison de leur grande sensibilité aux conditions initiales, il est possible de générer un grand nombre de signaux chaotiques pour accroître la capacité globale du système. Dans cette thèse, deux nouveaux algorithmes d'estimation de TOA sont proposés dans un cadre multi-utilisateur avec une faible complexité et une bonne robustesse. Le nombre d'utilisateurs pris en charge par ces deux algorithmes est beaucoup plus grand que dans le cas des estimateurs de TOA actuels. Cependant, l'utilisation de séquences d'étalement classique et d’impulsion limite l'amélioration des performances et la capacité du système. Afin d’apporter des améliorations, des signaux chaotiques sélectionnés sont utilisés comme séquences d'étalement ou impulsion dans les algorithmes proposés. Grâce à l'utilisation de signaux chaotiques, notre algorithme est non seulement amélioré, mais permet également l’utilisation d’un plus grand nombre d'utilisateurs par comparaison avec l’algorithme utilisant des signaux classiques / In the coming decades, highly accurate position information has the potential to create revolutionary applications in the social, medical, commercial and military areas. Ultra-Wideband (UWB) technology is considered as a potential candidate for enabling accurate localization capabilities through Time-of-Arrival (TOA) based ranging techniques. Over the past decade, chaotic signals have received significant attention due to a number of attractive features. Chaotic signals are aperiodic, deterministic, and random-like signals derived from nonlinear dynamical systems whose good autocorrelation, low cross-correlation and sensitivity to the initial conditions make them particularly suitable to ranging systems. In this thesis, two new multiuser TOA estimation algorithms are proposed with low complexity and robustness to MUI, the number of users supported by which is much larger than current multiuser TOA estimators. While, the use of classic spreading sequences and ranging pulse constrain the further improvement of ranging performance and system capacity. For breaking through the limit brought by the classic signals, the selected chaotic signals are employed as the spreading sequences or ranging pulse in our proposed algorithms. With the use of chaotic signals, our proposed algorithm not only obtains the additional improvement, but also with capability to support larger number of users comparing with its counterpart using classic signals

Nous adaptons une heuristique de recherche à voisinage variable pour traiter le problème du voyageur de commerce avec fenêtres de temps (TSPTW) lorsque l'objectif est la minimisation du temps d'arrivée au dépôt de destination. Nous utilisons des méthodes efficientes pour la vérification de la réalisabilité et de la rentabilité d'un mouvement. Nous explorons les voisinages dans des ordres permettant de réduire l'espace de recherche. La méthode résultante est compétitive avec l'état de l'art. Nous améliorons les meilleures solutions connues pour deux classes d'instances et nous fournissons les résultats de plusieurs instances du TSPTW pour la première fois. / We adapt a general variable neighborhood search heuristic to solve the traveling salesman problem with time windows (TSPTW) where the objective is to minimize the completion time. We use efficient methods to check the feasibility and the profitability of a movement. We use a specific order to reduce the search space while exploring the neighborhoods. The resulting method is competitive with the state-of-the-art. We improve the best known solutions for two classes of instances and provide the results of multiple instances of TSPTW for the first time.

Nombre d'applications récentes trouvent leur fondement dans une capacité présumée des systèmes de communication à délivrer des informations précises de localisation. Dans ce contexte, les propriétés intrinsèques de la technologie radio impulsionnelle Ultra-Large Bande (ULB) peuvent être mises à profit : résolution des trajets multiples, précision temporelle autorisant la mesure de temps de vol et la synchronisation fine des terminaux, etc. Les solutions ULB laissent par ailleurs présager l'émergence de réseaux d'un nouveau genre, tels que les réseaux ad hoc, mobiles, distribués et dépourvus d'infrastructure. Dans le cadre de l'élaboration du standard WPAN bas-débit IEEE 802.15.4a (jusqu'à 1Mbps), la possibilité de localiser des dispositifs ULB bas-coût et à faible consommation constitue un apport déterminant au regard des solutions existantes (e.g. Zigbee...). Les travaux présentés se proposent d'appréhender dans sa globalité la problématique de localisation ULB au sein des réseaux sans-fil. Quelques idées-forces sont alors mises en lumière, telles que la nécessité d'injecter une forme de connaissance a priori propre à la couche physique ULB dans le problème de localisation, la mise à profit de la diversité multi-trajets autorisée par la résolution ULB, ou bien encore l'exploitation des formes nouvelles adoptées par les réseaux (tant du point de vue du protocole que de la topologie). Dans un premier temps, nous caractérisons et modélisons les erreurs susceptibles d'affecter des métriques de base (temps ou différences de temps d'arrivée), qu'elles soient « indépendantes » de la couche physique (dérives d'horloge, modes d'échange, etc.) ou directement imputables au canal de propagation ULB (e.g. non-visibilité). Nous évaluons ensuite les performances de détection d'architectures de récepteurs ULB (e.g. échantillonnage direct sur 1 bit) pour des environnements indoor réalistes. Nous préconisons également différentes stratégies de positionnement (maximisation distribuée de la log-vraisemblance des distances mesurées, reconnaissance d'empreintes ULB, traitement déterministe des biais dans le cas de trajets réfractés, etc.) et de poursuite (techniques Bayésiennes avancées de filtrage), adaptées aux situations de non-visibilité. Enfin, quelques résultats d'expérimentations conduites dans la bande basse ([0.5:1]GHz) nous permettent d'illustrer certains des points abordés.

Dans les décennies à venir, des informations de position très précis a le potentiel de créer des applications révolutionnaires dans les domaines sociaux, médicaux, commerciaux et militaires. Ultra-Wideband (UWB) technologie est considéré comme un candidat potentiel pour permettre des capacités de localisation précises à travers le temps d'arrivée (TOA) télémétries. Au cours de la dernière décennie, les signaux chaotiques ont reçu significative d'attention en raison d'un certain nombre de caractéristiques intéressantes. Signaux chaotiques sont des signaux non périodiques, déterministes et aléatoires provenant de système dynamique non linéaire. Leur bonne auto-corrélation, faible corrélation croisée et la sensibilité aux conditions initiales rendent particulièrement adapté à des systèmes télémétries. Dans cette thèse, deux nouveaux algorithmes d'estimation multiutilisateur de TOA sont proposés avec une faible complexité et la robustesse de MUI. Le nombre d'utilisateurs pris en charge par ces deux algorithmes sont beaucoup plus grandes que les estimateurs de TOA actuelles. Cependant, l'utilisation de séquences d'étalement classique et impulsion contraignent l'amélioration des performances et la capacité du système. Pour briser la limite apportée par les signaux classiques, les signaux chaotiques sélectionnés sont utilisés comme impulsion séquences d'étalement ou impulsion à nos algorithmes proposés. Avec l'utilisation de signaux chaotiques, notre algorithme proposé non seulement obtient l'amélioration supplémentaire, mais aussi avec la capacité de soutenir plus grand nombre d'utilisateurs de comparaison avec son homologue en utilisant des signaux classiques.