Mesure d’intégrité par l’exploitation des signaux de navigation par satellites

Exploitation of the GNSS signals for integrity measurement

• Auteur / Autrice : Christophe Charbonnieras
• Direction : Guillaume Carrie, François Vincent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, télécom, système et architecture
• Date : Soutenance le 04/12/2017
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Signal, communication, antenne et navigation, radar (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Electromagnétisme et Radars
• Jury : Président / Présidente : Pascal Larzabal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Aubault-Roudier, Jonathan Israel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Duflos, Alexandre Renaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites

Antennes-réseaux

Mots clés libres

GNSS

Intégrité

Raim

Géolocalisation

Réseau d’antennes

RANSAC

GNSS

Integrity

Raim

Geolocalization

Antenna array

Ransac

Résumé

Dans le cadre des systèmes de positionnement par satellite GNSS (« Global Navigation Satellite Systems »), l’intégritéde la navigation d’un utilisateur est gérée en réception par la détection, l’identification voire l’exclusion de mesures depseudo-distance jugées erronées. Généralement basés sur le concept a posteriori RAIM (« Receiver Autonomous IntegrityMonitoring »), les algorithmes de contrôle autonome d’intégrité fournissent de hautes performances pour l’aviation civile,dont le contexte de navigation est caractérisé par une forte visibilité des satellites et peu de signaux parasites captéspar l’antenne réceptrice. L’algorithme WLSR RAIM est communément utilisé dans ce cadre. Néanmoins, les techniquesRAIM ne sont pas compatibles avec la navigation terrestre en milieu contraint. En effet, le contexte urbain est notammentcaractérisé par un masquage récurrent des signaux satellitaires directs ainsi que la réception de multi-trajets générés parl’environnement proche du récepteur. RAIM ne prend pas en compte l’ensemble des données disponibles en réception,dégradant ainsi fortement ses performances. Il est donc nécessaire de développer des méthodes de contrôle d’intégritécompatibles avec un tel contexte de navigation. Pour cela, la thèse propose d’étudier l’apport d’informations GNSS a priorinon utilisées par les techniques RAIM. Deux paramètres principaux ont été exploités : le signal GNSS brut reçu et lesestimations de directions d’arrivée des signaux satellitaires DOA (« Direction Of Arrival »). La première étape a consisté à implémenter une méthode a priori qui évalue la cohérence du positionnement estimé par rapport au signal brut directement reçu. Cette méthode a été nommée Direct-RAIM (D-RAIM) et a démontré une forte sensibilité de détection, permettant d’anticiper d’éventuels risques sur la navigation et de caractériser plus finement la qualité de l’environnement proche du récepteur. Toutefois, le caractère a priori de l’approche engendre de potentielles non détection d’erreurs en cas de modèle de signal défectueux. Afin de contourner cette limitation, un couplage WLSRRAIM – D-RAIM a été développé, nommé Hybrid-RAIM (H-RAIM). Une telle approche permet de combiner robustesse etsensibilité apportées par ces techniques respectives. Le second axe de recherche a mis en évidence la contribution de l’information des DOA dans un contrôle autonome d’intégrité. L’intégration d’un réseau d’antennes en réception permet d’obtenir l’estimation des DOA pour l’ensemble dela constellation visible. Théoriquement, l’évolution jointe des DOA est directement liée à l’attitude du réseau. Cet aspectpermet donc de détecter toute incohérence sur une ou plusieurs voies en cas d’estimation(s) de DOA biaisée(s), par rapportà l’ensemble de la constellation. L’algorithme RANSAC (« RANdom SAmple Consensus») a été utilisé afin de détecter toutcomportement aberrant dans l’estimation des DOA, et ainsi mesurer la confiance que l’utilisateur peut placer dans chaquevoie. L’algorithme WLSR RAIM RANSAC a ainsi été implémenté. L’intégration de la composante DOA permet d’ajouterun degré de liberté dans le contrôle autonome d’intégrité côté récepteur et ainsi d’affiner la détection voire l’exclusiond’erreurs. Au cours de cette thèse, un récepteur logiciel a été implémenté, permettant de traiter des signaux Galileo, de lagénération du signal jusqu’au positionnement puis au contrôle d’intégrité. Ce récepteur a pu être évalué à partir de donnéessimulées en environnement urbain.

In Global Navigation Satellite Systems (GNSS) applications, integrity is managed at the reception side by detection,identification and exclusion of faulty pseudorange measurements. Usually based on the a posteriori Receiver AutonomousIntegrity Monitoring (RAIM) concept, integrity techniques provide high performances for civil aviation, with a navigationcontext defined by a clear-sky environment. WLSR RAIM is commonly used. Nevertheless, RAIM techniques are notcompatible with a terrestrial navigation in harsh environments. For instance, urban areas are characterized by a poorvisibility and the reception of many multipaths derived from the receiver closed-environment. RAIM does not consider allthe available data in the reception chain, which dramatically deteriorates the detection performances. Hence, it is necessaryto develop integrity process compatible with such a navigation context. This PhD work studies the contribution of GNSSa priori information, disused by conventional RAIM techniques. Two main parameters have been exploited : the receivedraw GNSS signal and the Directions Of Arrival (DOA) estimations.This first step was devoted to the development of an a priori method which evaluates the consistence of the estimatedPosition Velocity Time (PVT) vector of the receiver with respect to the raw GNSS signal. This method has been calledDirect-RAIM (D-RAIM) and has shown high detection sensitivity, allowing the user to anticipate navigation risks and todefine precisely the quality of the receiver closed-environment. However, the a priori aspect of this approach may lead tonavigation error missed detections if the signal model is getting flawed. In order to circumvent this limitation, a WLSRRAIM – D-RAIM coupling has been developed, called Hybrid-RAIM (H-RAIM). Such an approach merges the robustnessand the sensitivity brought by both techniques.The second research step has brought to light the contribution of the DOA information in an autonomous integritymonitoring. Using an antenna array, the user can get the DOA estimations for all satellites in view. Theoretically, the DOAjoint evolution is directly correlated with the array rotation angles. Hence, any mismatch on the DOA estimations withrespect to the global constellation can be detected. RANdom Sample Consensus (RANSAC) algorithm has been used inorder to detect any faulty DOA evolution, derived from inconsistencies in reception linked to potential navigation risks :RANSAC measures the trust that the user can place in each channel. Therefore, a WLSR RAIM RANSAC algorithmhas been developed. The integration of the DOA component adds a degree of freedom in receiver autonomous integritymonitoring, refining the error detection and exclusion.Last but not least, a software receiver has been implemented processing Galileo data, from the signal generation to positioningand integrity monitoring. This software has been evaluated by simulated data characterizing urban environments.