La navigation par satellite pour les applications critiques telles que l'aviation civile nécessite un dispositif de contrôle d'intégrité pour garantir un certain niveau de précision et de fiabilité des informations fournies au pilote. Au delà des informations de position, le système de navigation doit donc fournir des alertes lorsque les exigences opérationnelles ne sont pas respectées. Cette perte de performance peut être due aux dysfonctionnements des satellites. Cette thèse traite donc du contrôle d'intégrité des systèmes de navigation en présence de pannes satellite multiples. Le contexte étudié est celui où les mesures satellitaires sont hybridées avec les données cinématiques provenant d'une centrale inertielle. Les contributions apportées à cette problématique sont diverses. Différents algorithmes sont proposés en tenant compte des contraintes de charge de calcul limitée liées aux applications embarquées. Parmi eux, l'utilisation de la fusion d'informations permet d'améliorer les performances de contrôle d'intégrité. Les imperfections du modèle d'erreur de mesure sont également traitées dans cette thèse. D'une part, nous proposons de détecter et de compenser les potentiels sauts de variance du bruit de mesure. D'autre part, des approches robustes sont utilisés afin d'améliorer le contrôle d'intégrité en présence de bruit de mesure non-gaussien. / Critical applications such as civil aviation require a navigation system including an integrity monitoring function to provide accurate and reliable information. Thus, the navigation system has to raise an alert when the operational requirements are not met. This loss of performance can be due to satellite failures. This thesis deals with integrity monitoring of navigation system assuming multiple satellite failures. Moreover, we consider herein the satellite measurements are hybidized with the kinematic information providing by an inertial navigation system.The contributions to this issue are manifold. Several algorithms are proposed accounting for the limited computing load of the embedded applications. Among them, information fusion allows to improve the integrity monitoring performance. Errors in measurement noise model are also treated in this thesis. On the one hand, we propose to detect and compensate the measurement noise variance jumps. On the other hand, robust approaches are used to improve the integrity monitoring when the measurement noise is not gaussian distributed.

<div>This research investigates the detection and exclusion of faulty global navigation satellite system (GNSS) measurements using a parameterized quadratic programming formulation (PQP) approach. Furthermore, the PQP approach is integrated with the integrity risk and continuity risk bounds of the Chi-squared advanced receiver autonomous integrity monitoring (ARAIM). The integration allows for performance evaluation of the PQP approach in terms of accuracy, integrity, continuity, and availability, which is necessary for the PQP approach to be applied to the vertical navigation in the performance-based navigation (PBN). In the case of detection, the PQP approach can also be integrated with the vertical protection level and the associated lower and upper bounds derived for the solution separation ARAIM. While there are other computationally efficient and less computationally efficient fault detection and</div><div>exclusion methods to detect and exclude faulty GNSS measurements, the strength of the PQP approach can summarized from two different perspectives. Firstly, the PQP</div><div>approach belongs to the group of the computationally efficient methods, which makes the PQP approach more favorable when it comes to detect and exclude multiple simultaneous faulty GNSS measurements. Secondly, because of the integration of the PQP approach with the integrity risk and continuity risk bounds of the Chi-squared</div><div>ARAIM, the PQP approach is among the first computationally efficient fault detection and exclusion methods to incorporate the concept of integrity, which lies in</div><div>the foundation of PBN. Despite the PQP approach not being a practical integrity monitoring method in its current form because of the combinatorial natural of the integrity risk bound calculation and the rather conservative integrity performance, further research can be pursued to improve the PQP approach. Any improvement on the integrity risk bound calculation for the Chi-squared ARAIM can readily be</div><div>applied to the integrity risk bound calculation for the PQP approach. Also, the connection between the PQP approach and the support vector machines, the application of the extreme value theory to obtain a conservative tail probability may shed light upon the parameter tuning of the PQP approach, which in turn will result in tight integrity risk bound.</div>

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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.

Cette thèse porte sur les défis en matière de surveillance de la fiabilité de la navigation par GNSS pour les applications de véhicules terrestres dans les milieux urbains. L'objectif principal de cette recherche est de développer des méthodes de positionnement avec confiance en utilisant des mesures GNSS et des mesures de confiance pour l'utilisateur dans des environnements urbains contraintes. Dans la première partie de la thèse, les erreurs NLOS en milieu urbain sont caractérisées par un modèle 3D de l'environnement urbain. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons proposé une technique de surveillance de la fiabilité dans le domaine des mesures GNSS pour l'environnement urbain en utilisant un capteur de vitesse fiable. Enfin, nous avons développé une nouvelle expérimentale de surveillance de l'intégrité pour le positionnement en milieu urbain. En surveillant de la statistique de test contre un seuil spécifique, l'intégrité et la continuité de positionnement sont fixés à un certain niveau de confiance. En outre, le calcul de niveau de protection horizontale (HPL) en utilisant une approche composite a également été proposé. / This thesis addresses the challenges in reliability monitoring of GNSS aided navigation for land vehicle applications in urban environments. The main objective of this research is to develop methods of trusted positioning using GNSS measurements and confidence measures for the user in constrained urban environments. In the first part of the thesis, the NLOS errors in urban settings are characterized by means of a 3D model of the urban surrounding. For the second part of the thesis, the work proposes a reliability monitoring technique in the range domain for urban environ ment using a trusted velocity sensor. Finally, the research developed a novel experimental scheme in integrity monitoring for positioning in urban environment. By monitoring the test statistic against a specific threshold, the positioning integrity and continuity are met at a certain level of confidence. In addition, the Horizontal Protection Level (HPL) computation using a composite approach has also been proposed.

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