Cette thèse présente la technique de navigation magnéto-inertielle (MINAV) qui utilise les perturbations du champ magnétique en complément de capteurs inertiels (accéléromètres et gyromètres) pour la localisation d'un corps rigide en mouvement. On étudie des règles de conception, ainsi que des procédures opératoires nécessaires à la mise en pratique dans des conditions réelles. Un exemple de système complet, le "podomètre magnéto-inertiel", permettant la localisation d'un piéton évoluant dans des zones où le GPS est indisponible, est présenté.

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l’accélération de l’ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d’intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l’hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle. / We present the development of a compact atomic gravimeter, relying on atom interferometry using stimulated Raman transitions. We demonstrate a significant improvement in terms of compactness and simplicity for each element of the device (sensor head, laser source, micro-wave frequency reference, vibration rejection system). This work relies on the use of a hollow-pyramid in place of the usual retro-reflecting mirror. This component allows realizing each step of measurement (trapping and cooling of the atoms, interferometer, detection) with a single laser beam. We developed a very compact sensor head, for which we have simplified every key element. The laser source features only one single laser diode, emitting at 1560 nm to interrogate Rubidium 87 atoms. It benefits from the use of fibered optical telecom components, which have already demonstrated to be performing and robust to environmental conditions. All the elements of the accelerometer prototype are now gathered to allow for the operation of the interferometer. On-field gravimetry will greatly benefit from such compact absolute gravimeter. In parallel, we have developed a novel vibration rejection method, based on digital electronics. The atomic phase shift induced by vibrations is pre-compensated before the recombination of the wave-packets, directly on the optical phase on the Raman lasers. This ensures that each measurement point stays at maximum sensitivity, even in the presence of great acceleration noise. As a result, for a gravimeter operating directly on the ground in an urban environment, we have reached sensitivity to acceleration at a level of at 1 s, which improves down to after 300 s. Finally, our method lead us to fully hybridize the atom gravimeter with a classical accelerometer, which results in an accurate very large-band accelerometer [DC , 430 Hz]. This demonstration is very promising for applications in inertial navigation.

Ces travaux de thèse s'inscrivent à la frontière entre l'utilisation de l'interférométrie atomique pour tester un principe fondamental de physique, le principe d'équivalence faible, et le transfert des technologies développées dans ce but vers des applications industrielles, en particulier la navigation inertielle, à travers une collaboration avec l'entreprise iXBlue au sein d'un laboratoire commun (iXAtom) où nous avons travaillé à l'hybridation d'une centrale inertielle avec un accéléromètre atomique afin de corriger la dérive temporelle de la centrale.Afin de tester le prince d'équivalence faible, nous utilisons un interféromètre atomique double espèce (87Rb et 39K). Cette expérience est réalisée en laboratoire mais également en micropesanteur à bord de l'avion ZERO-G de Novespace. Cette particularité pose des contraintes sur les choix technologiques puisque le montage doit être robuste, compact et transportable. Notre système laser en est un bon exemple puisqu'il est basé des technologies télécom (1560 et 1534 nm) doublées en fréquence. Nous avons réalisé le premier test du principe d'équivalence en micropesanteur avec des atomes froids en 2015, ce qui représente une étape majeure vers la réalisation d'un instrument embarquable à bord d'un satellite.Le 39K est une espèce difficile à refroidir et à manipuler à cause de sa structure hyperfine étroite. Nous avons mis en place un refroidissement par mélasse grise pour cette espèce en ajoutant un laser résonnant avec la transition D1 du potassium. Nous avons également mis en place une préparation des atomes dans l'état non magnétique mF=0 efficace à 95%. Ces techniques ont amélioré le contraste de nos franges d'interférences d'un facteur 4 et nous a permis d'obtenir une sensibilité sur le paramètre d’Eötvös en laboratoire de 5.2x10-8 après 11500 s d'intégration. / This thesis is at the boundary of the fundamental physics with the test of the weak equivalence principle (WEP) and the transfer of the technologies developed to industrial applications such inertial navigation. We began collaboration in a joint laboratory (iXAtom) with the iXBlue company where we worked on the hybridization of an inertial unit with a cold atom accelerometer.In order to test the WEP, we use a dual-species atom interferometer (87Rb and 39K). This experiment works in the laboratory but it is designed to perform onboard the Novespace ZERO-G plane. This specificity puts constraints on the design of the setup because it needs to be robust, compact and transportable. Our laser system is a good example because it is based on Telecom technologies (1560 and 1534 nm) frequency doubled. We realized the first test of the weak equivalence principle on microgravity with cold atoms in 2015, which is a major step toward a future spatial mission.The 39K is an atomic species hard to cool and manipulate because of its narrow hyperfine structure. We implemented an other cooling method, the gray molasses, by using a laser resonant to the potassium D1 transition. We built a new sequence to prepare the atoms in the mF= 0 state. This sequence is effective at 95%. These techniques improved the contrast of our interference fringes by a factor 4 which led to the obtention of a sensitivity on the Eötvös parameter in the laboratory of 5.2x10-8 after 11500 s of integration.

Nous présentons le développement d'un prototype de gravimètre atomique compact reposant sur l'interférométrie atomique avec des transitions Raman stimulées. Nous démontrons une amélioration importante de la compacité et de la simplicité de chaque élément du dispositif expérimental (tête de senseur, source laser, référence de fréquence micro-onde, système de filtrage des vibrations). Ce travail s'appuie sur l'utilisation d'une pyramide creuse comme miroir de rétro-réflexion, ce qui permet de réaliser toutes les fonctions d'un interféromètre atomique (piégeage et refroidissement des atomes, interféromètre, détection) avec un unique faisceau laser. Nous avons donc développé une tête de senseur très compacte, dont les fonctions clés ont toutes été simplifiées. La source laser met en jeu un unique laser émettant à 1560 nm pour interroger des atomes de Rubidium 87. Elle bénéficie de l'utilisation de composants optiques télécoms fibrés, qui ont déjà démontré leur performance et leur robustesse aux conditions environnementales. Tous les éléments du prototype sont assemblés pour permettre la mise en place de l'interféromètre. Ce type de gravimètre compact est très intéressant pour la gravimétrie de terrain. En parallèle, nous avons développé un système de réjection du bruit de vibration, basé sur l'électronique numérique. La contribution des vibrations sur la phase atomique est pré-compensée avant la fermeture de l'interféromètre, directement sur la phase optique des lasers. Ceci garantit que chaque point de mesure a une sensibilité maximum, malgré un bruit de d'accélération important. Ainsi, pour un gravimètre posé au sol en environnement urbain, nous avons démontré une sensibilité à l'accélération de l'ordre de à 1 seconde, qui atteint après 300 secondes d'intégration. Notre dispositif nous a finalement conduit à l'hybridation complète du gravimètre atomique avec un accéléromètre classique, conduisant à un accéléromètre exact très large bande [DC , 430 Hz]. Ce résultat est très prometteur, notamment pour la navigation inertielle.

La navigation inertielle grâce aux capteurs intégrés dans les smartphones permet d’assurer une géolocalisation continue même en absence de signal GNSS. Ces capteurs bas coût délivrent néanmoins des mesures bruitées qui engendrent une dérive de la trajectoire. La technique PDR qui est une technique de navigation inertielle par détection de pas souffre de deux limites principales. La première est l’estimation de la longueur de pas car cette dernière dépend des caractéristiques physiques de chaque utilisateur, et la seconde est le résultat d’une dérive angulaire combinée avec un biais lié au portage du capteur à la main. Dans le contexte du projet HAPPYHAND, ce travail s’intéresse à l’exploitation de la carte pour corriger ces différentes erreurs. Un réseau de navigation topologique est exploité pour corriger à la fois les erreurs angulaires et calibrer le modèle de longueur de pas. Ce modèle est ensuite augmenté par un processus de mise à jour de position par détection de points d’intérêt. / Smartphone navigation using the low-cost embedded sensors in off the shelf smartphones can provide a continuous solution in GNSS-denied environments. The most widely adopted approach is Pedestrian Dead Reckoning (PDR) that uses acceleration and angular velocity to estimate the user’s position. Yet, consumer grade sensors deliver noisy measurements that may result into a drift in the estimated trajectory. One major challenge is to estimate accurately step length information since it depends on physiological features that are specific to each user. In addition, angular biases are more likely to be introduced in the orientation estimation process with handheld devices. This is mainly due to the high degree of freedom of hand motion. In the context of a national project called HAPPYHAND, the main goal of this work is to exploit map information as far as possible in order to mitigate the previous inherent limitations to the PDR approach. First, a topological network extracted from the map is proposed in order to correct the angular errors and calibrate the step length model. Second, context awareness is adopted in order to provide regular and frequent position updates thanks to a point of interest online detection scheme.

La résolution d'un problème d'estimation de l'état d'un système nécessite de disposer d'un modèle régissant l'évolution des variables d'état et de mesurer de manière directe ou indirecte l'ensemble ou une partie de ces variables d'état. Les travaux exposés dans ce mémoire de thèse portent sur la problématique d'estimation en présence de méconnaissances de modèle et de pertes de capteurs. La première partie de ce travail constitue la synthèse d'un dispositif d'estimation d'état pour systèmes non linéaires. Cela consiste à sélectionner un estimateur d'état et convenablement le régler, puis à concevoir algorithmiquement, à partir d'un critère introduit pour la circonstance, une redondance matérielle visant à compenser la perte de certains capteurs. La seconde partie de ce travail porte sur la conception, à l'aide de la variance d'Allan, d'un sous-modèle permettant de compenser les incertitudes d'un modèle d'état, ce sous-modèle étant utilisable par un filtre de Kalman. Ce travail a été exploité pour tenir compte de dérives gyroscopiques dans le cadre d'une navigation inertielle hybridée avec des mesures GPS par un filtre de Kalman contraint. Les résultats obtenus, issus d'expériences sur deux trajectoires d'avion, ont montré un comportement sain et robuste de l'approche proposée.

Cette étude va se focaliser sur trois aspects. Dans un premier temps, un effort sera porté sur l'aspect "localisation précise" du véhicule en mouvement. Pour cela, il est nécessaire de se pencher sur l'intégration et le traitement de l'information issue de systèmes hétérogènes de navigation: GPS et centrale inertielle (INS) auxquels sera rajoutée ensuite l'odométrie. La raison de cette intégration est d'exploiter les avantages de chacun des systèmes utilisés. L'intégration utilise un filtrage numérique pour procéder à une compensation des erreurs en position, vitesse, et en attitude issues de chaque capteur. L'accent n'a pas seulement été mis sur l'intégration, mais aussi sur les notions de précision des résultats. Dans un deuxième temps, nous allons nous intéresser à la fois à la validation quantitative et qualitative des résultats et à l'élaboration d'une application exploitant notre travail. Les erreurs du système sont comparées avec une trajectoire de référence. Nous avons choisi de réaliser un système de numérisation tridimensionnelle de l'environnement couplé à un système de modélisation adapté au type d'environnement. L'étude se penchera sur le capteur d'acquisition de données télémétriques et son intégration à bord du véhicule. Un intérêt particulier est porté sur la qualité et les imprécisions des données retournées par le télémètre. L'acquisition des données se fera au vol et pendant le déplacement du véhicule. Enfin, le modèle obtenu sera exploité, de deux manières: la constitution d'un modèle géométrique et topologique précis puis l'extraction d'informations sémantiques du modèle (extraction de la route ou des obstacles fixes, identifications d'amers, caractérisation de la route, etc.).

Autant le GPS tend à s'imposer pour la localisation à l'extérieur des bâtiments, autant la situation est beaucoup plus ouverte pour la localisation à l'intérieur des bâtiments. De nombreux réseaux WiFi sont déployés dans les bâtiments. Ils diffusent des informations de puissance du signal permettant de remonter à la position d'un mobile. La technique du fingerprinting par puissance WiFi permet de localiser le mobile. Cependant, l'utilisation de cette technique de localisation requière une base de données correspondant à la couverture radio WiFi dans l'environnement.<br />L'utilisation d'une technique de localisation basée sur des mesures temporelles est moins contraignante que le fingerprinting. L'émission d'impulsions radio très brèves confère à la technologie 802.15.4a un fort pouvoir séparateur des multi-trajets. Le phénomène de multi-trajets est la principale contrainte au déploiement d'une technologie de localisation par mesures temporelles. La détection du premier trajet est très importante.<br />Des estimateurs comme le filtre de Kalman ou le filtre particulaire sont nécessaires pour limiter les effets des multi-trajets, des bruits de mesure, etc. Ces filtres peuvent aussi intégrer des informations de cartographie. Bien souvent, l'exploitation d'une seule technologie est insuffisante. La fusion d'informations de localisation est une étape supplémentaire pour améliorer la localisation. Des architectures de fusion robustes permettent de corriger les défauts de chacune des technologies pour conduire à un système plus robuste et plus précis en toutes circonstances.<br />Ce travail présente une approche innovante pour la localisation WiFi avec l'exploitation de cartographie dans l'estimateur tout en gardant une faible complexité suivant la plate-forme de déploiement visée. L'exploration des capacités de la localisation par ULB est proposée dans un second temps, avant d'aborder une réflexion sur les méthodes de fusion multi-capteurs.

La résolution d'un problème d'estimation de l'état d'un système nécessite de disposer d'un modèle régissant l'évolution des variables d'état et de mesurer de manière directe ou indirecte l'ensemble ou une partie de ces variables d'état. Les travaux exposés dans ce mémoire de thèse portent sur la problématique d'estimation en présence de méconnaissances de modèle et de pertes de capteurs. La première partie de ce travail constitue la synthèse d'un dispositif d'estimation d'état pour systèmes non linéaires. Cela consiste à sélectionner un estimateur d'état et convenablement le régler, puis à concevoir algorithmiquement, à partir d'un critère introduit pour la circonstance, une redondance matérielle visant à compenser la perte de certains capteurs. La seconde partie de ce travail porte sur la conception, à l'aide de la variance d'Allan, d'un sous-modèle permettant de compenser les incertitudes d'un modèle d'état, ce sous-modèle étant utilisable par un filtre de Kalman. Ce travail a été exploité pour tenir compte de dérives gyroscopiques dans le cadre d'une navigation inertielle hybridée avec des mesures GPS par un filtre de Kalman contraint. Les résultats obtenus, issus d'expériences sur deux trajectoires d'avion, ont montré un comportement sain et robuste de l'approche proposée / To solve the problem of estimating the state of a system, it is necessary to have at one's disposal a model governing the dynamic of the state variables and to measure directly or indirectly all or a part of these variables. The work presented in this thesis deals with the estimation issue in the presence of model uncertainties and sensor losses. The first part of this work represents the synthesis of a state estimation device for nonlinear systems. It consists in selecting a state estimator and properly tuning it. Then, thanks to a criterion introduced for the occasion, it consists in algorithmically designing a hardware redundancy aiming at compensating for some sensor losses. The second part of this work deals with the conception of a sub-model compensating for some model uncertainties. This sub-model, designed by using the Allan variance, is usable by a Kalman filter. This work has been used to take into account some gyroscopical drifts in a GPS-INS integrated navigation based on a constrained Kalman filter. The results obtained, coming from experiments on two plane trajectories, showed a safe and robust behaviour of the proposed method