Étude de la fiabilité des communications dans un réseau de capteurs sans-fils appliqué aux mines souterraines

Étude de la fiabilité des communications dans un réseau de capteurs sans-fils appliqué aux mines souterraines Certes, l’aspect sécurité est le plus préoccupant du travail dans les mines souterraines. Aujourd’hui, plusieurs équipements hautement technologiques sont utilisés dans la mine. Parmi ces équipements, nous pouvons distinguer les outils de communications. En effet, dans une mine bien équipée, plusieurs sortes de réseaux informatiques sont déployés à des fins de sécurité et de supervision. Dans ce contexte, les réseaux de capteurs sans-fils (RCSF) sont de plus en plus utilisés dans la mine. Cela s’explique par le fait que ce type de réseau orienté application apporte plusieurs avantages par rapport aux réseaux classiques à savoir le caractère sans-fils, le faible coût, la tolérance à la défaillance et la facilité de déploiement dans les zones à haut risque. Cependant, les RCSF imposent quelques limitations qui ne sont pas considérées dans les réseaux classiques dont notamment la consommation d’énergie et la gestion des informations. L'enjeu de l’utilisation des RCSF dans la mine est de mettre en place des communications efficaces énergétiquement qui tiennent compte des différentes contraintes imposées par les équipements hétérogènes. Dans cette optique, le standard IEEE 802.15.4 apparaît comme un standard de fait pour les RCSF. Le succès de cette norme est visible dans le fait qu’aujourd'hui, il y a plus de dix couches physiques différentes proposées comme extension à la norme IEEE 802.15.4. C’est dans ce contexte que se positionne l’objectif de notre travail. Il s’agit dans notre projet de faire l’étude des performances du standard IEEE 802.15.4 en comparaison avec l’extension IEEE 802.15.4g. L’étude comparative des standards IEEE 802.15.4/4g par simulation et par un banc d’essai a fait l’objet de nos travaux. Les résultats de simulation ont été démontrés pour différent scénarios d’utilisation

Modélisation d'un canal à 60 GHz en utilisant les réseaux de neurones perceptron multicouches

Ce Travail s'inscrit dans le cadre d'un projet à l'intérieur d'une mine souterraine envisagé par le laboratoire LRTCS (Laboratoire de Recherche Télébec en Communications souterraines) à Val d'Or. Il concerne plus précisément la modélisation du canal à la fréquence 60 GHz dans la Mine CANMET située au Nord Ouest du Québec, dont les Mesures ont été obtenues par un autre étudiant de maitrise. La modélisation d'un canal consiste à tenter de mieux connaitre les propriétés des signaux émis/reçus dans cet environnement minier comportant des parois rocheuses de rugosité importante. Étant un environnement complexe, le déploiement des systèmes de communication nécessite une parfaite connaissance du milieu de propagation. La modélisation d'un canal est devenue un sujet d'actualité dans le domaine de la recherche, et elle a été traitée dans plusieurs travaux en se basant sur des modèles traditionnels permettant de déterminer le comportement du canal de propagation selon des modèles analytiques, empiriques ou stochastiques. Nous proposons dans notre projet, la modélisation d'un canal à 60 GHz dans un milieu confiné en se basant sur la méthode des Réseaux de neurones perceptron multicouches. Ce travail est basé sur des mesures menées en milieu confiné pour entrainer et créer l'architecture du réseau de neurones MLP. À partir de ce Modèle extrait des mesures expérimentales, plusieurs simulations ont été effectuées et permettent de montrer la capacité de modéliser le canal à 60 GHz avec ce type de réseau de neurones dans un environnement minier avec une parfaite précision

Étude d'un système d'acquisition rapide de signaux UWB à très bande en milieu minier souterrain

Les communications dans les milieux confinés requièrent des technologies qui répondent aux besoins particuliers de ces milieux. Ainsi, le milieu minier souterrain nécessitent l'utilisation de la technologie UWB (signal à très large bande) afin d'obtenir une émission/réception des informations précise et de qualité. Cette thèse présente donc l'implémentation d'un système d'acquisition rapide pour les signaux UWB en milieu minier souterrain. Cette nouvelle technique de traitement et d'acquisition des signaux UWB pourra améliorer la performance de traitement de ce signal. La nature du milieu minier représente un défi quant à la précision et la localisation de position. La performance du support physique de la technologie UWB donne une excellente résolution temporelle, ce qui facilite la localisation, mais qui toutefois risque d’augmenter le coût de la nouvelle méthode d'acquisition. La conception et l'implémentation du circuit est basé sur la technique d'acquisition modulaire avec un corrélateur DS-UWB(DirectSequence Ultra-WideBand). Ce travail de recherche consiste à implémenter un système d’acquisition rapide pour des communications UWB à très large bande. Ce système proposé a pour rôle d'augmenter la précision et la localisation dans les mines et le milieu confiné. Le système proposé est basé sur une technique d'acquisition modulaire " Block-Processing ". Cette méthode a démontré une grande efficacité dans plusieurs domaines de télécommunication [6, 20]. Nous utilisons cette méthode afin de réaliser une acquisition rapide du signal dense UWB. Son utilisation consiste à traiter le signal par des blocs d'échantillons simultanés à la réception, ce qui donne une bonne performance. Passant à l'étude d 'implémentabilité du système proposé sur des puces programmables FPGA (Field Programmable Gate Ar ray), ce FPGA est connu pour sa grande capacité d'intégration et de reconfigurabilité, et les fréquences élevées qui augmentent la vitesse de traitement surtout dans le domaine des télécommunications souterraines qui fonctionnent sur des fréquences très élevées. Finalement, la stratégie globale est de vérifier si les résultats théoriques peuvent être retrouvés en pratique

Étude et caractérisation d’un canal de propagation pour les réseaux VANET

Dans les réseaux VANET, la communication se fait entre les véhicules (V2V) du réseau grâce à un système sans-fil sans infrastructure fixe. Cependant, elle ne peut être faite qu’à l’intérieur d’une distance correspondant à la portée radio qui est généralement de petite taille. Il est donc nécessaire d’avoir recours aux techniques du multi-saut afin de véhiculer l’information. Un grand nombre de travaux sur les réseaux VANET utilisent des modèles de propagation simples, tels que le modèle en espace libre (freespace) ou le modèle de Friis. Toutefois, ces deux modèles demeurent loin de la réalité lorsqu’ils sont appliqués à la prédiction des communications inter-véhiculaires. Les résultats prédits par ces deux modèles sont souvent inutilisables dans cette situation et par conséquent, une modélisation plus réaliste du canal est devenue un enjeu crucial en ce qui concerne les réseaux VANET. La présente étude se penche sur l’échange de données dans un réseau VANET. Celle-ci se déroule dans un environnement minier où interviennent divers paramètres. Il est donc nécessaire de prendre en compte l’impact du canal de propagation propre à cet environnement. Cette étude se déroule en deux temps. La première étape consiste à étudier le canal de propagation dans le cas statique. Pour cela, un analyseur de réseau a été utilisé. Ce dernier réalise les mesures dans le domaine fréquentiel en effectuant un balayage de fréquences sur toute la largeur de bande choisie. Ces mesures sont ensuite transformées dans le domaine temporel utilisant la transformée de Fourier. Avec cette technique, nous avons réussi à couvrir des distances allant jusqu’à 130 mètres. La deuxième étape vise l’étude du canal dans le cas dynamique. Pour cela, nous avons placé un analyseur de spectre dans un véhicule qui bouge le long de la galerie en prenant des mesures correspondant aux différentes vitesses du véhicule

Étude d'un réseau de capteur UWB pour la localisation et la communication dans un environnement minier

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données

Architectures multi-bandes en mode impulsionnel et circuits pour des applications nomades très haut débit autour de 60GHz

Avec la croissance actuelle du marché des applications de transfert de données multimédia à très haut débit, les bandes de fréquences autour de 60 GHz sont une nouvelle alternative promettant des performances intéressantes en terme de débits mais soulèvent des défis techniques et technologiques au niveau des architectures et circuits. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, qui propose une approche multi bande impulsionnelle MBOOK avec un récepteur à détection d'énergie, et qui analyse plus spécifiquement les verrous au niveau de l'émetteur. L'étude du canal de propagation à 60 GHz, basée sur les modèles de canaux du standard IEEE 802.15.3c, a permis de démontrer la potentialité de cette architecture et permet d'atteindre des débits de 2 Gbps à 2metres dans un environnement de type résidentiel. Le dimensionnement de l'architecture ainsi que des performances des principaux blocs ont conduit à plusieurs possibilités pour l'architecture de l'émetteur MBOOK à 60 GHz. Les critères ont été d'assurer un compromis performances, consommation. Une étude approfondie sur l'étude des imperfections de certains blocs critiques et l'impact sur l'impulsion transmise, et donc sur les performances du système ont été établies. Le banc de filtres, nécessaire à l'émission et à la réception, représente l'un des verrous, et nous proposons une solution de filtrage à base de lignes couplées. L'étude des solutions de génération d'impulsions, des étages de commutation, et des étages d'amplification de l'émetteur sont détaillées et discutées dans les deux derniers chapitresWith the current increasing market request concerning high speed data rates applications, the 60 GHz frequency bands seems to be one of the new promising alternatives for high data rate wireless communications. In this context, the development of new systems operating at these frequencies becomes a very attractive research subject. This study focuses on nomadic systems offering high data and reconfigurable rates, low complexity, low power consumption for short communications. One of the important tasks in the millimetre wave architecture design is to consider the channel propagation characteristics simultaneously with the technological performance of integrated circuits and antennas. This requires a co-design of the entire system. Therefore, we begun by studying the characteristics of the channel propagation channel at 60GHz according to the IEEE 802.15.3c and IEEE 802.11.ad models. This PHD thesis proposes a new transceiver architecture based on multi-band impulse mode, with On Off Keying modulation schema and non coherent receiver. This architecture is dedicated to nomadic systems offering high data and reconfigurable rates, low complexity, low power consumption for short communications. Analysis and performances for the proposed architecture are presented. More than 2 Gbps at 2 m are obtained. The imperfections of some critical blocks and their impact on the transmitted pulses were analysed and thus the performance of the system has been established. The potentiality of microstrip band pass filter bank presenting a constant relative bandwidth and reasonable insertion losses is presented in this study. The study of pulse generation solutions, switchers, amplification stages and antennas are detailed and discussed in the last two chaptersconstant relative bandwidth and reasonable insertion losses is presented in this study.The study of pulse generation solutions, switchers, amplification stages and antennas are detailed and discussed in the last two chapters.PARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Vers le développement d'une station de télécommunication aérienne pour le milieu isolé

RÉSUMÉ : Le projet de recherche « Développement d'une station de télécommunication aérienne pour le milieu isolé » est basé sur la problématique de la quasi-absence de solutions de télécommunication pour le milieu isolé à part les tours de télécommunication, déployées partiellement, la fibre optique très onéreuse et présente dans de petits secteurs isolés et le satellite avec des coûts d'utilisation assez importants. Pourtant, lorsque l'on prend l'exemple du nord du Québec, la population, mais aussi certains secteurs industriels comme les mines ou le fret ferroviaire revendiquent la nécessité d'avoir des solutions de télécommunication innovantes ou à défaut simplement adéquates. La thèse, après avoir balayé en détail et évalué toutes les solutions de télécommunication existantes, propose une solution innovante : le ballon captif de télécommunications. Cette solution avec peu de ballons répartis sur un vaste secteur isolé permet de lui apporter une couverture radio totale. Cette solution est autonome en alimentation électrique et est déployable rapidement sur site. Les ballons captifs associés à des nanosatellites en plein essor de nos jours permettront d'apporter au milieu isolé les dernières technologies de télécommunication comme l'internet des objets, réservées pour le moment au milieu urbain. Ce projet de développement d'une solution de ballons captifs-nanosatellite pour le milieu isolé est en réalité un vaste projet dans lequel s'insère la thèse. Cette dernière vise donc à développer et à valider des concepts pour le milieu isolé qui seront utilisés lorsque, plus tard, les ballons et les nanosatellites se parleront dans le milieu isolé. L'un de ces concepts, la géolocalisation, constitue une des problématiques majeures en milieu isolé avec de multiples applications: la géolocalisation de personnes comme les employés travaillant dans les mines, la géolocalisation de trains nordiques, la géolocalisation de matériel, ou la géolocalisation d'animaux pour évaluer leur parcours migratoire par exemple. La thèse s'articule donc autour des thématiques de milieu isolé, de paramètres d'un système de télécommunication, de l'internet des objets, de techniques de géolocalisation avec estimateurs. Quatre études de cas sont mises en œuvre dans cette thèse, en utilisant pour chacune d'elles des techniques de modélisation, de simulations et bien évidemment de validations expérimentales. La première étude de cas a permis de développer avec succès un système de sécurité ferroviaire, pour des employés d'une compagnie ferroviaire travaillant sur des voies ferrées au nord du Québec en milieu isolé, donc sans connexion internet ni réseau électrique, avec la mise en œuvre d'un système de télécommunication basé sur le protocole IEEE 802.15.4. La seconde étude de cas a consisté à étudier la portée d'un système de télécommunication internet des objets utilisant le protocole LoRaWAN dans le cadre du milieu isolé: un résultat de 25 km a été établi. La troisième étude de cas, fondamentale dans un environnement isolé est concentrée sur l'optimisation de l'autonomie en énergie d'un nœud LoRa, donc pour l'internet des objets: une autonomie de 5 ans sur batterie lithium-ion a été obtenue. Enfin la dernière étude de cas met en œuvre un système de géolocalisation par l'internet des objets avec étude de différents estimateurs : une précision de 20 cm sur la géolocalisation d'un nœud LoRa a été obtenue. Ce projet de recherche a permis d'apporter des résultats fort intéressants et très prometteurs sur des concepts très présents dans les thématiques de recherche actuelles. Ces contributions scientifiques ont d'ailleurs débouché sur la publication d'un article et la soumission d'un autre, mais surtout, elles se manifesteront par un potentiel de soumission de 3 articles sous peu. Enfin, ce travail de recherche démontre la pertinence de l'association entre ballons captifs et nanosatellites pour le milieu isolé et il pose les bases du développement de cette solution innovante. -- Mot(s) clé(s) en français : milieu isolé, systèmes de télécommunication sans il, ballons captifs, photovoltaïque, internet des objets, LoRaWAN, géolocalisation, estimateurs, nanosatellites. -- ABSTRACT : "Development of an aerial telecommunication station for the isolated environment" research project is based on the problem of the lack of telecommunication solutions for the isolated environment apart from the telecommunication towers, partially deployed, the very expensive optical fiber located in small isolated areas and the satellite with fairly high operating costs. However, when we take the example of northern Quebec, the population but also certain industrial domains such as mining or rail freight claim the need for innovative or, by default, simply adequate telecommunication solutions. The thesis after having swept in detail and evaluated all the existing telecommunication solutions proposes an innovative solution: the tethered telecommunication balloon. This solution with few balloons distributed over a large isolated sector provides a high radio coverage. This solution is autonomous in terms of power supply and can be quickly deployed on the site. The tethered balloons associated with nanosatellites which is booming nowadays will bring to the isolated environment the latest telecommunication technologies like the internet of things reserved for the moment for urban environments. This project consisting to associate tethered balloons with nanosatellites for the isolated environment, is actually a vast project in which the thesis is part. Therefore, the thesis aims to develop and validate concepts for the isolated environment that will be used later, when tethered balloons and nanosatellites will talk to each other in the isolated environment. One of these concepts, the geolocalization, is one of the major issues in isolated environment with lots of applications: the geolocalization of people such as employees working in mines, the geolocalization of Nordic trains, the geolocalization of equipments, or the geolocalization of animals to assess their migratory journey, for example. Therefore, the thesis revolves around the themes of an isolated environment, of parameters for telecommunication systems, of the Internet of Things, of the geolocalization technics with estimators. Four case studies are implemented in this thesis, each using modeling, simulations and obviously experimental validation technic. The first case study made it possible to successfully develop a railway safety system, for employees of a railway company working on railways in northern Quebec in isolated areas therefore without internet connection or neither electrical network: the solution which has been developed was based on a telecommunication system working with the IEEE 802.15.4 protocol. The second case study consisted of studying the range of an Internet of Things telecommunication system based on the LoRaWAN protocol in the isolated environment context: a result of 25 km was established. The third case study, very important in an isolated sector, focuses on optimizing the energy autonomy of a LoRa node therefore for the Internet of Things: a 5-year autonomy on lithium-ion battery was obtained. Finally, the last case study implements a geolocalization system via the Internet of Things with a study of different estimators: a LoRa node geolocalization accuracy of 20 cm was obtained. This research project has made it possible to obtain very interesting and very promising results on concepts very present in current research themes. These scientific contributions result in the publication of one article and the submission of another one, but more importantly, there will be a potential submission of 3 articles. Finally, this research job demonstrates the relevance of the combination of tethered balloons and nanosatellites for isolated environments and it gives the foundations for the development of this innovative solution. -- Mot(s) clé(s) en anglais : isolated environment, wireless telecommunication systems, tethered balloons, photovoltaics, internet of things, LoRaWAN, geolocalization, estimators, nanosatellites

Caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain

Le milieu minier, très complexe par sa nature, a besoin d'un système de communication fiable. Déployer un système fiable dans ce type de milieu, nécessite la connaissance parfaite du milieu de propagation. Notre projet d'étude porte donc sur la caractérisation d'un canal ultra large bande (UWB) en milieu confiné souterrain. Notre étude s'est focalisée sur la propagation des signaux ultra large bande dans le canal minier à différents niveaux. Il a consisté à déterminer ses paramètres à grande et petite échelle à différents niveaux dans la mine et à les comparer. Un autre élément fort important dans la conception d'un système de communication est sa capacité. Elle permet de déterminer les applications pouvant transiter sur le réseau. Nous avons dans un premier temps établi le protocole expérimental devant être utilisé pour des campagnes de mesures. Ensuite, les réponses fréquentielles du canal UWB (3 à 10 GHz) ont été mesurées. Nous avons grâce à la transformée inverse de Fourrier déterminé les réponses impulsionnelles. Nous avons, à deux niveaux de la mine (niveau 40 et niveau 70), déterminé les caractéristiques du canal UWB à savoir son amplitude, les paramètres de dispersion temporelle à différents niveaux de la mine et à différentes configurations (visibilité directe et non-visibilité directe) et la capacité. L'analyse des résultats obtenus montre que l'indice de pertes de propagation est proche de celui de l'espace libre en visibilité directe et varie fortement en cas de visibilité obstruée. Le système avec une antenne directive en réception donne de meilleurs résultats. La capacité du canal obtenue est assez importante pour permettre le déploiement des applications haut débit. En comparant les résultats obtenus, on constate que la majorité des paramètres du canal ne dépendent pas de la géométrie de la galerie souterraine. The mining environment, very complex by nature, needs a reliable communication system. Deploying a reliable system in this type of environment requires a perfect knowledge of the propagation channel. Our research project therefore focuses on the characterization of UWB propagation channel in an underground mine. Our study focused on the propagation channel of ultra wideband signals in the mine at different levels. It was to determine the parameters of large and small scale at various levels in the mine and then compare them. Another very important element in design of a communication system is the channel capacity that we have also calculated and compared. It identifies applications that can pass over the network. We initially established the experimental protocol to be used for measurement campaigns. Then the frequency responses of the UWB channel (3-10 GHz) were measured. The channel impulse responses were computed using the IFFT transform. We have, at two levels of the mine (Level 40 and Level 70), determined the characteristics of the UWB channel: its pathloss, the temporal dispersion parameters at different levels of the mine and at different configurations (line of sight and non line of sight) and capacity. Analysis of the results obtained show that the path loss exponent is close to free space in line of sight, and varies greatly in the case of non line of sight. The system with directional antenna at reception gives better results. The channel capacity obtained is large enough to allow the deployment of broadband applications. By comparing the results obtained, we found that the majority of the channel parameters does not depend on the geometry of the underground gallery

Contribution à l'étude de la détection des signaux UWB. Etude et implémentation d'un récepteur ad hoc multicapteurs. Applications indoor de localisation

Cette thèse s inscrit dans le projet de communication à proximité aux départements Electronique et Physique et Communications, Images et Traitement de l Information de l Institut Télécom Sud Paris. Le projet comporte la mise au point d un récepteur basé sur une méthode de détection pseudo-cohérente des signaux Ultra Large Bande à double impulsion (TR-UWB), méthode désignée par Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC). La première partie de ce document comporte la réalisation d une plate-forme modulaire de communication UWB basée sur le système de détection TDSC. Cette plate-forme comporte une puce CMOS 0.35 m conçue précédemment au laboratoire EPH. Elle offre la possibilité d enregistrer des signaux TR-UWB réels et de réaliser des tests de fonctionnement. La deuxième partie est une étude approfondie du récepteur utilisant la méthode TDSC. La détection des signaux UWB et la procédure de synchronisation sont évalués en utilisant les signaux réels acquis à partir de la plate-forme. Un ensemble de tests ont été menés avec des signaux en bande de base et des signaux transposés en fréquence, dans les deux cas en transmission sur câble puis par radio. Les résultats ont permis de valider la détection et le principe de la synchronisation. La troisième partie est une proposition d estimation de la distance entre deux dispositifs d un réseau radio UWB utilisant un récepteur TDSC, pour une localisation en intérieur. L étude fait la synthèse de plusieurs propositions et expérimentations et conduit à la définition des meilleurs critères pour une mesure du temps d arrivée (TOA) et son implémentation pratique sur un récepteur TDSCThis thesis is part of the Electronics and Physics (EPH) department s research work at Institut Telecom SudParis in collaboration with the Information, Images and Information Processing (CITI) Department. The project included the development of a receiver architecture called Time Delayed Sampling and Correlation (TDSC) that works with Transmitted Reference Ultra Wideband signals (TR-UWB), and which could achieve a good performance without channel estimation. The first part of this work included the design of a modular UWB communication system based on the TDSC method. This platform uses a 0.35 m CMOS chip conceived by the EPH laboratory. This gives the possibility to record real TR-UWB signals and to achieve functional tests. A second part of the thesis was to deepen the use of the TDSC method for detection of UWB signals and the synchronization procedure of the receiver using real signals acquired by the platform. A series of tests were conducted in this regard by using baseband signals as well as frequency translated signals, through cable channels and radio transmission. The results let us validate the TDSC detection and the synchronization procedure. Finally, a third line of work was the study and development of a distance estimation proposal based on the time of arrival (TOA) of TR-UWB signals, for indoor localization purposes. The study included a synthesis of several proposals and experimental works. Simulations were made and compared with other methods. Experimental results and their good convergence with the simulations let conclude that the proposal is a feasible solution to the measurement of the TOA, based on a TR-UWB receiver with low-complexity architectureEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Application de la réflectométrie GNSS à l'étude des redistributions des masses d'eau à la surface de la Terre

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.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 surfaceréfléchissante (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