Géolocalisation de sources radio-électriques : stratégies, algorithmes et performances

Geographical localization of de radiotransmitters : strategies, algorithms and performances

• Auteur / Autrice : Jonathan Bosse
• Direction : Pascal Larzabal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 24/01/2012
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Marcos, François Le Chevalier, Claude Jauffret, Anne Ferréol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yide Wang, Karim Abed-Meraim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stations de base (radio)

Localisation

Ondes radioélectriques

Modèles mathématiques

Traitement du signal

Mots clés libres

Localisation de sources

Télécommunications

Traitement du signal

Signal processing

Source localization

Résumé

Cette thèse porte sur la géolocalisation de sources radio-électriques dans le cadre du traitement d'antenne, c'est-à-dire l'estimation de la position, dans le plan ou l'espace, de sources incidentes à divers réseaux multicapteurs (stations de base). Il s'agit de concevoir des algorithmes estimant au mieux la position d'un ensemble de sources et de caractériser les limites théoriques, en termes d'erreur quadratique moyenne, des approches envisagées pour résoudre le problème de géolocalisation. Nous nous plaçons dans un contexte passif, sans a priori sur les signaux émis. De manière classique, la position des sources est souvent estimée à l'aide de paramètres intermédiaires (angles d'arrivée, temps d'arrivée, fréquences d'arrivée ...) estimés localement sur chacune des stations de base dans un premier temps. Ces paramètres intermédiaires sont ensuite transmis à une unité centrale de traitement qui réalise l'étape de localisation dans un second temps. On parle parfois d'approche en deux étapes. Cette solution décentralisée est par nature sous-optimale. Une approche optimale du problème de localisation consiste à estimer directement la position des sources à l'aide de l'ensemble des signaux reçus par les stations et transmis directement à l'unité centrale de traitement. Il convient alors de réaliser la localisation à l'aide d'une approche centralisée ne comportant qu'une seule étape : la position des sources étant directement estimée à partir de l'ensemble des signaux disponibles à l'unité centrale de traitement. Le problème à résoudre dépend directement de la position des sources et non plus de paramètres intermédiaires. Cette approche du problème de localisation offre de nouvelles perspectives quant à la conception de nouveaux algorithmes et pose la question de son intérêt théorique en termes d'amélioration des performances de localisation. Dans cette thèse, nous examinons l'intérêt constitué par l'exploitation simultanée des signaux de toutes les stations de base afin de réaliser la localisation. Nous nous attachons dans un premier temps à caractériser en termes d'erreur quadratique moyenne et de borne de Cramer-Rao les approches centralisées et décentralisées pour la localisation dans un contexte de signaux bande étroite sur l'ensemble du réseau de stations. Ensuite, pour le cas plus général de signaux large bande sur l'ensemble du réseau de stations, nous proposons une approche basée sur un traitement spatio-temporel. Nous montrons son intérêt comparativement à l'état de l'art et aux performances optimales théoriques qui font elles-mêmes l'objet d'une partie des travaux exposés dans cette thèse. Un algorithme de géolocalisation en contexte de multitrajets est également proposé dans cette thèse.

This thesis deal with the geographical positioning of multiple radio transmitters thanks to array processing techniques. The estimation of the position is achieved thanks to multiple sensor base stations. We aim to design estimators of the sources position and to characterize the fundamental limits of localization strategies in terms of root-mean-square-error in a passive signal context (no prior information on the transmitted signals). Traditionally, the geographical positioning is achieved by means of a two steps procedure. In the first step, intermediate location parameters (angles of arrival, times of arrival ...) are locally estimated, in a decentralized processing on each station. Then, the location is achieved in a central processing unit thanks to all the transmitted parameters in the second step. This strategy is obviously suboptimal. An optimal solution of the geographical localization problem rather consists in estimating the position of the sources in a centralized manner at the central processing unit, assuming that all base stations are able to transfer all their signals to the central processing unit. Then the localization can be achieved in a one step procedure. The problem now depends on the position of the sources directly and not on intermediate parameters. This approach appears to be very interesting but the characterization of their fundamental limits is still an open question. In this thesis we examine the advantages of the centralized one step procedure compared to the traditional decentralized two-step procedure. First, we study the case of narrowband signals on the station network that offers a relevant theoretical framework to compare the performance of centralized and decentralized localization scheme. Then, we propose an alternative to the existing techniques in the more general wideband signal context based on a spatio-temporal approach. The comparison of existing techniques and the new ones to optimal performance is also part of the work reported in this thesis. A multistage geographical positioning technique is also provided for the multipaths propagation context.