La réflectométrie GNSS (ou GNSS-R) est une technique de télédétection originale et pportuniste qui consiste à analyser les ondes électromagnétiques émises en continu par la soixantaine de satellites des systèmes de positionnement GNSS (GPS, GLONASS, etc.), qui sont captées par une antenne après réflexion sur la surface terrestre. Ces signaux interagissent avec la surface réfléchissante et contiennent donc des informations sur ses propriétés. Au niveau de l'antenne, les ondes réfléchies interfèrent avec celles arrivant directement des satellites. Ces interférences sont particulièrement visibles dans le rapport signal-sur-bruit (SNR, i.e., Signal-to-Noise Ratio), paramètre enregistré par une station GNSS classique. Il est ainsi possible d'inverser les séries temporelles du SNR pour estimer des caractéristiques du milieu réfléchissant. Si la faisabilité et l'intérêt de cette méthode ne sont plus à démontrer, la mise en oeuvre de cette technique pose un certain nombre de problèmes, à savoir quelles précisions et résolutions spatio-temporelles peuvent être atteintes, et par conséquent, quels sont les observables géophysiques accessibles. Mon travail de thèse a pour objectif d'apporter des éléments de réponse sur ce point, et est axé sur le développement méthodologique et l'exploitation géophysique des mesures de SNR réalisées par des stations GNSS classiques. Je me suis focalisé sur l'estimation des variations de hauteur de l'antenne par rapport à la surface réfléchissante (altimétrie) et de l'humidité du sol en domaine continental. La méthode d'inversion des mesures SNR que je propose a été appliquée avec succès pour déterminer les variations locales de : (1) la hauteur de la mer au voisinage du phare de Cordouan du 3 mars au 31 mai 2013 où les ondes de marées et la houle ont pu être parfaitement identifiées ; et (2) l'humidité du sol dans un champ agricole à proximité de Toulouse, du 5 février au 15 mars 2014. Ma méthode permet de s'affranchir de certaines restrictions imposées jusqu'à présent dans les travaux antérieurs, où la vitesse de variation verticale de la surface de réflexion était supposée négligeable. De plus, j'ai développé un simulateur qui m'a permis de tester l'influence de nombreux paramètres (troposphère, angle d'élévation du satellite, hauteur d'antenne, relief local, etc.) sur la trajectoire des ondes réfléchies et donc sur la position des points de réflexion. Mon travail de thèse montre que le GNSS-R est une alternative performante et un complément non négligeable aux techniques de mesure actuelles, en faisant le lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales actuellement atteintes par les outils classiques (sondes, radar, diffusiomètres, etc.). Cette technique offre l'avantage majeur d'être basé sur un réseau de satellites déjà en place et pérenne, et est applicable à n'importe quelle station GNSS géodésique, notamment celles des réseaux permanents (e.g., le RGP français). Ainsi, en installant une chaîne de traitement de ces acquisitions de SNR en domaine côtier, il serait possible d'utiliser les mesures continues des centaines de stations pré-existantes, et d'envisager de réaliser des mesures altimétriques à l'échelle locale, ou de mesurer l'humidité du sol pour les antennes situées à l'intérieur des terres. / GNSS reflectometry (or GNSS-R) is an original and opportunistic remote sensing technique based on the analysis of the electromagnetic waves continuously emitted by GNSS positioning systems satellites (GPS, GLONASS, etc.) that are captured by an antenna after reflection on the Earth's surface. These signals interact with the reflective surface and hence contain information about its properties. When they reach the antenna, the reflected waves interfere with those coming directly from the satellites. This interference is particularly visible in the signal-to-noise ratio (SNR) parameter recorded by conventional GNSS stations. It is thus possible to reverse the SNR time series to estimate the reflective surface characteristics. If the feasibility and usefulness of thismethod are well established, the implementation of this technique poses a number of issues. Namely the spatio-temporal accuracies and resolutions that can be achieved and thus what geophysical observables are accessible.The aim of my PhD research work is to provide some answers on this point, focusing on the methodological development and geophysical exploitation of the SNR measurements performed by conventional GNSS stations. I focused on the estimation of variations in the antenna height relative to the reflecting surface (altimetry) and on the soil moisture in continental areas. The SNR data inversion method that I propose has been successfully applied to determine local variations of : (1) the sea level near the Cordouan lighthouse (not far from Bordeaux, France) from March 3 to May 31, 2013, where the main tidal periods and waves have been clearly identified ; and (2) the soil moisture in an agricultural plot near Toulouse, France, from February 5 to March 15, 2014. My method eliminates some restrictions imposed in earlier work, where the velocity of the vertical variation of the reflective surface was assumed to be negligible. Furthermore, I developed a simulator that allowed me to assess the influence of several parameters (troposphere, satellite elevation angle, antenna height, local relief, etc.) on the path of the reflected waves and hence on the position of the reflection points. My work shows that GNSS-R is a powerful alternative and a significant complement to the current measurement techniques, establishing a link between the different temporal and spatial resolutions currently achieved by conventional tools (sensors, radar, scatterometer, etc.). This technique offers the major advantage of being based on already-developed and sustainable satellites networks, and can be applied to any GNSS geodetic station, including permanent networks (e.g., the French RGP). Therefore, by installing a processing chain of these SNR acquisitions, data from hundreds of pre-existing stations could be used to make local altimetry measurements in coastal areas or to estimate soil moisture for inland antennas.

Scintillation of Global Positioning Systems (GPS) signals have been extensively studied at low and high latitude regions of the Earth. It has been shown in past studies that amplitude scintillation is severe at low latitudes and phase scintillation is severe at high latitudes. Unlike low and high latitude regions, mid-latitude scintillation has not been extensively studied. Further, it has been suggested that mid-latitude scintillation is negligible. The purpose of this research is to challenge this belief. A multi-constellation and multi-frequency receiver, that tracks American, Russian, and European satellites, was used to monitor scintillation activity at the Virginia Tech Space Center. Analysis was performed on collected data from various days and compared to past research done at high, mid, and low latitudes. The results are discussed in this thesis. / Master of Science / Earth’s atmosphere disrupts signals transmitted by Global Navigation Satellite Systems (GNSS). In certain regions of the Earth, these signals can be severely degraded. Not much research has been done on what could potentially happen to GNSS signals at mid-latitude regions of the Earth. It is important to gain a better understanding of the impacts mid-latitude regions can have on GNSS signals, in preparation for potential future outages across the system. The United States and Russia have had Global Positioning Systems (GPS) technology for decades. Today, China and Europe are expanding their global positioning systems. In the future there may be up to one hundred or more satellites available for public usage. This study was done to determine if outages could potentially occur at mid-latitudes, and to gain more knowledge on which of these satellite constellations have the best service.

Um pseudo-satélite para o GLONASS foi desenvolvido com o objetivo de dominar parte da tecnologia do sistema de posicionamento global da Federação Russa. Para alcançar este objetivo a implementação de um firmware, constituído pelas funções e operações a serem realizadas pelo pseudo-satélite referentes aos dados de navegação, bem como circuitos de geração e envio de dados, foi realizada. O firmware GLONASS foi carregado num circuito CPLD (complex programmable logic device), o que permitiu que fossem aplicados os conhecimentos adquiridos com o desenvolvimento do pseudo-satélite para o GPS. Resultados experimentais foram comparados a resultados de simulações, mostrando-se consistentes. Por fim, conclusões e propostas para futuros trabalhos são apresentadas.

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) have found wide adoption in various applications, be they military, civilian or commercial. The susceptibility of GNSS to radio-frequency interference can, thus, be very disruptive, even for emergency services, therefore threatening people's lives. An early prototype of a system providing relatively cheap widescale GNSS jamming detection, called J911, is explored in this thesis. J911 is smartphone-based crowdsourcing of GNSS observations, most interesting of which are carrier-to-noise-density ratio (<img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cfrac%7BC%7D%7BN_0%7D" />) and Automatic Gain Control (AGC) voltage. To implement the prototype, an Android application to provide the measurements, a backend to parse and store the measurements, and a frontend to visualize the measurements were developed. In real-world use, the thesis argues, the J911 system would best be implemented over existing Enhanced 9-1-1 (E911) infrastructure, becoming a standardized part of the Public Switched Telephone Network (PSTN). The Android application, running on a smartphone, would periodically construct messages to be sent to the backend over an Internet connection. The messages would include: current location from all location providers available in Android OS, observed satellites from all supported constellations, the satellites' <img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cfrac%7BC%7D%7BN_0%7D" />, and a timestamp. Once a message is received on the backend, the data would be extracted and stored in a database. The frontend would query the database and produce a map with the collected datapoints overlaid on top of it, whose color indicates received signal strength at that point. When a jammer gets close enough to a few smartphones, they will all be jammed, which is easily observed on the map. On top of that, if enough samples are gathered, a Power Difference of Arrival localization algorithm can be used to localize the jammer. The smartphones that the system was planned to be tested with did not support AGC level readings, therefore in order to obtain AGC levels over time, a few SiGe GN3S Samplers, which are radio-frequency frontends, were used. In eastern Idaho, United States, over three nights in July 2017, an exercise, named 2017 DHS JamX, was performed with the help of the US Department of Homeland Security. Sadly, the approval for the publication of the test results did not come in time to be included in this thesis.

This project describesa microwave antenna for GNSS and low noise amplifier. Mikrostrip antenna is a modern type of antenna. This mikrostrip antenna is Dual – band antenna with circual polarization. The thesis describes how to make anantenna, what a circular polarization is, whata patch antenna is and what GNSS is. Low noise amplifier amplifies the antenna output signal.

Master’s thesis deals with global navigation satellite systems. It gathers information about operation principles of individual systems and evaluates their applicability for Air transportation through own measures.

This document describes a device capable to determine geographical position thanks to its GNSS module and measure the change of movement with the help of an accelerometer and gyroscope. Outputs of these integrated circuits are combined, data are processed and fused thanks to a numerical integration and mathematical filters. Results are stored on a memory card. The whole development is described from a concept, through the making of the device and software algorithms to the testing of its functions.

Diploma thesis deals with the possibilities of using GPS when analysing road accidents. The history and structure of U.S. global positioning system, Russian GLONASS system and European Galileo system are described. GPS receivers are sorted out by the possibility of use. The thesis deals with the methods of refinement GPS and how the vehicles can be monitored using GPS. In the practical part of this diploma thesis measurements with several types of navigations were made. And a comparison of accuracy of measured data with the real situation where the car was found at the moment of measuring followed and how fast was gone.

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Le GNSS (Global Navigation Satellite System), et en particulier sa composante actuelle le système américain GPS et le système russe GLONASS, sont aujourd'hui utilisés pour des applications géodésiques afin d'obtenir un positionnement précis, de l'ordre du centimètre. Cela nécessite un certain nombre de traitements complexes, des équipements coûteux et éventuellement des compléments au sol des systèmes GPS et GLONASS. Ces applications sont aujourd'hui principalement réalisées en environnement " ouvert " et ne peuvent fonctionner en environnement plus contraint. L'augmentation croissante de l'utilisation du GNSS dans des domaines variés va voir émerger de nombreuses applications où le positionnement précis sera requis (par exemple des applications de transport/guidage automatique ou d'aide à la conduite nécessitant des performances importantes en terme de précision mais aussi en terme de confiance dans la position -l'intégrité- et de robustesse et disponibilité). D'autre part, l'arrivée sur le marché de récepteurs bas-coûts (inférieur à 100 euros) capables de poursuivre les signaux provenant de plusieurs constellations et d'en délivrer les mesures brutes laisse entrevoir des avancées importantes en termes de performance et de démocratisation de ces techniques de positionnement précis. Dans le cadre d'un utilisateur routier, l'un des enjeux du positionnement précis pour les années à venir est ainsi d'assurer sa disponibilité en tout terrain, c'est-à-dire dans le plus grand nombre d'environnements possibles, dont les environnements dégradés (végétation dense, environnement urbain, etc.) Dans ce contexte, l'objectif de la thèse a été d'élaborer et d'optimiser des algorithmes de positionnement précis (typiquement basés sur la poursuite de la phase de porteuse des signaux GNSS) afin de prendre en compte les contraintes liées à l'utilisation d'un récepteur bas coût et à l'environnement. En particulier, un logiciel de positionnement précis (RTK) capable de résoudre les ambiguïtés des mesures de phase GPS et GLONASS a été développé. La structure particulière des signaux GLONASS (FDMA) requiert notamment un traitement spécifiques des mesures de phase décrit dans la thèse afin de pouvoir isoler les ambiguïtés de phase en tant qu'entiers. Ce traitement est compliqué par l'utilisation de mesures provenant d'un récepteur bas coût dont les canaux GLONASS ne sont pas calibrés. L'utilisation d'une méthode de calibration des mesures de code et de phase décrite dans la thèse permet de réduire les biais affectant les différentes mesures GLONASS. Il est ainsi démontré que la résolution entière des ambiguïtés de phase GLONASS est possible avec un récepteur bas coût après calibration de celui-ci. La faible qualité des mesures, du fait de l'utilisation d'un récepteur bas coût en milieu dégradé est prise en compte dans le logiciel de positionnement précis en adoptant une pondération des mesures spécifique et des paramètres de validation de l'ambiguïté dépendant de l'environnement. Enfin, une méthode de résolution des sauts de cycle innovante est présentée dans la thèse, afin d'améliorer la continuité de l'estimation des ambiguïtés de phase. Les résultats de 2 campagnes de mesures effectuées sur le périphérique Toulousain et dans le centre-ville de Toulouse ont montré une précision de 1.5m 68% du temps et de 3.5m 95% du temps dans un environnement de type urbain. En milieu semi-urbain type périphérique, cette précision atteint 10cm 68% du temps et 75cm 95% du temps. Finalement, cette thèse démontre la faisabilité d'un système de positionnement précis bas-coût pour un utilisateur routier.