Traitement des signaux circulaires appliqués à l'altimétrie par la phase des signaux GNSS

191 Pages·2017·4.5 MB·French

by  Georges Stienne

Traitement des signaux circulaires appliqués à
l’altimétrie par la phase des signaux GNSS
Georges Stienne
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Georges Stienne. Traitement des signaux circulaires appliqués à l’altimétrie par la phase des signaux
GNSS. Autre [cs.OH]. Université du Littoral Côte d’Opale, 2013. Français. ￿NNT: 2013DUNK0344￿.
￿tel-00980907￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
CGR de Calais E´cole Doctorale Sciences pour l’Ing´enieur
Num´ero d’ordre : ULCO 2013.39
`
THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 2 d´ecembre 2013
pour l’obtention du grade de
Docteur de l’Universit´e du Littoral Cˆote d’Opale
(Discipline : G´enie Informatique, Automatique et Traitement du Signal)
par
Georges STIENNE
Traitements des signaux circulaires
appliqu´es `a l’altim´etrie par la phase
des signaux GNSS
H
H
Composition du jury
Pr´esident : Ren´e Garello
Professeur `a T´el´ecom Bretagne
Rapporteurs : Thierry Chonavel
Professeur `a T´el´ecom Bretagne
Pierre-Andr´e Farine
Professeur `a l’E´cole Polytechnique F´ed´erale de Lausanne
Examinateurs : Mohamed Sahmoudi
Maˆıtre de Conf´erences `a l’ISAE - Supa´ero
Fran¸cois Soulat
Ing´enieur de Recherche `a Collecte Localisation Satellites
Directeurs de Th`ese : Mohammed Benjelloun
Professeur a` l’Universit´e du Littoral Cˆote d’Opale
Serge Reboul
Maˆıtre de Conf´erences `a l’Universit´e du Littoral Cˆote d’Opale
Laboratoire d’Informatique, Signal et Image de la Cˆote d’Opale – EA 4491
MaisondelaRechercheBlaisePascal–CentreUniversitairedelaMi-Voix
50rueFerdinandBuisson–B.P.719,62228CalaisCedex,France

Àmamère
i
ii
Remerciements
La fin d’un travail de thèse, et traditionnellement le début de celle-ci, se doit d’être l’oc-
casion de remercier l’ensemble des personnes qui, à un moment ou à un autre, l’ont rendue
possible ou ont pris part à son amélioration. Je pense tout d’abord à Monsieur Serge Reboul,
dont j’ai continuellement apprécié l’encadrement pendant ces trois années. Ses compétences
scientifiques,samotivation,sadisponibilitéetsonhumanitém’ontétéindispensablespourme-
ner à bien ce travail. Merci à lui également pour m’avoir proposé cette thèse et pour m’avoir
donnéenviedelaréaliser,plusd’uneannéeavantlafindemonmaster.Jetienségalementàre-
mercierMonsieurMohammedBenjellounpouravoir dirigémestravauxetpermisàcettethèse
desefaire.Ilasu,àchaqueétape-clé,meplacerdanslesmeilleuresconditionspourpoursuivre
montravail.J’associeégalementàmonencadrementMonsieurJean-BernardChoquel,dontles
qualitésd’engagement,decompétencesetdeconnaissancedumondescientifiquem’ontététrès
utiles. C’est avant tout à ces trois personnes que je dois d’avoir pris plaisir dans ce travail de
thèse.
Je tiens également à remercier l’ensemble des membres de mon jury de thèse. Je pense
bien sûr à Monsieur René Garello, qui l’a présidé avec la cordialité dont il sait faire preuve;
à Messieurs Thierry Chonavel et Pierre-André Farine, qui m’ont été d’une grande aide par
leurtravailprécisetconstructifderapporteurs,etàMessieursMohamedSahmoudietFrançois
Soulatquiontégalementsujugeretaméliorer cedocumentdethèseavecdiscernement.
Je tiens à remercier l’ensemble des personnes qui m’ont soutenu, aidé, conseillé ou encore
distrait (au sens positif du terme!), durant cette thèse, au sein du Laboratoire d’Informatique,
Signal et Image de la Côte d’Opale. J’addresse ma reconnaissance à son directeur, Monsieur
ChristopheRenaud,pourm’avoirpermisdem’yintégrer,ainsiqu’àsasecrétaire,MadameMa-
gali Nion, pour son dévouement à nous accompagner dans les démarches administratives. Je
remercie également Monsieur Jean-Luc Lefebvre, technicien à l’ULCO, pour avoir aidé à plu-
sieursreprisesaubonfonctionnementdessystèmesmécaniquesdéveloppésetutilisésdurantce
travaildethèse.Jepenseenfinauxenseignants-chercheursainsiqu’àl’ensembledesdoctorants
du laboratoire pour les bons moments passés ensemble, et plus particulièrement à Messieurs
Monir Azmani et Jean-Christophe Kucwaj, qui m’ont accompagné respectivement en début et
fin de thèse sur les questions d’ordre scientifique, et à Monsieur Benoît Fortin, ami de plus de
dixansetparfaitvoisin debureaupendantcestroisannées.
Je profite également de ces quelques lignes pour exprimer toute ma reconnaissance et mon
amour à ma famille pour son affection et son soutien. Il va sans dire que cette thèse n’aurait
jamaispusefairesanstoutcequ’ellem’aapportée,dansmonéducationcommedansmafaçon
depenseretdepercevoirleschoses.
Je souhaite enfin exprimer ma gratitude au Syndicat Mixte de la Côte d’Opale, qui a fait le
choixdefinancermontravaildethèse.
Georges STIENNE
iii
iv
Table des matières
Glossaire 1
Abréviations 5
Introductiongénérale 7
Chapitre1 - RéflectométrieGNSS 11
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Réflectométrie:principeetapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1 Radarmultistatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 Applications delaréflectométrieGNSS . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.3 Systèmesclassiquesd’observation delaTerre . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.4 Missionssatellitairesd’observationdelaTerreparGNSS-R . . . . . . 23
1.3 Casdel’altimétrie ausol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.1 Géométriedusystèmeausol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.2 Différentesapproches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 TraitementsdessignauxpourlaréflectométrieGPS . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.1 Structuredusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.2 Architecturesdetraitement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.3 Positionnement GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4.4 Architecturepourlaréflectométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Chapitre2 - Statistiquescirculaires 45
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2 Distributions circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.1 Distribution devonMises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
CN
2.2.2 Distribution WrappedNormal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
WN
v
Tabledesmatières
2.3 Approximations et etinversiondelafonctionA=I /I 50
1 0
CN ≈WN WN ≈CN
2.3.1 InversiondeA:développementslimités . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.2 InversiondeA:méthodedeNewton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.3 InversiondeA:méthodedeRunge-Kutta . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.4 Comparaisondesméthodes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4 Estimationdesparamètresdesdistributions circulaires . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.1 Estimationdelamoyenne( et ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
CN WN
2.4.2 Estimationduparamètredeconcentration( ) . . . . . . . . . . . . . 56
CN
2.4.3 Estimationdel’écart-type( ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
WN
2.4.4 Représentationcomplexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5 Testsd’hypothèse pourladistribution devon Mises . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.1 Testssurlamoyenne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5.2 Testssurleparamètredeconcentration . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.6 Estimateursdeprécisiondansledomainecirculaire . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.6.1 Distancecirculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.2 Dispersioncirculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6.3 Variancecirculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Chapitre 3 - Traitement du signal circulaire : cas linéaire. Application à l’estimation
delaphasedessignauxGNSSenboucleouverte 67
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 Fusiond’informations circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Filtrecirculairerécursif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.1 Filtrescalaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.2 Casvectoriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.3 Applicationaufiltragedelaphaseetdelafréquenced’unsignalGNSS 83
3.4 Casparticuliersdemesuresd’anglesaberrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4.1 Cadredelafusiond’informations circulaires . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2 Cadredufiltragecirculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5 Poursuitedelaphased’unsignalGNSSenboucleouverte . . . . . . . . . . . 88
3.6 Expérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.1 SignalGPS-L2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.6.2 Donnéessynthétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.6.3 Donnéesréelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
vi
Tabledesmatières
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Chapitre 4 - Traitement du signal circulaire : cas non-linéaire. Application à la cor-
rectiondesautsdecycledanslaphasedessignauxGNSS 101
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2 Estimationdelaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.1 Inférencestatistique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.2 Filtreparticulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3 Détecteurderupturecirculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.1 Testd’hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.2 Règlededécision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.3.3 Estimationdel’instant etdel’amplitude delarupture . . . . . . . . . . 110
4.3.4 Correction delarupture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4 Architecturepourletraitementdusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5 PositionnementGPSparlaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.6 Expérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.6.1 Donnéessynthétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.6.2 Donnéesréelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Chapitre5 - Applicationàl’altimétrieausoletrésolutiondel’ambiguïtédephase 129
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Systèmealtimétrique utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.1 Altimètre mobileausol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.2 Géométriedusystème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.2.3 Estimationdeladifférencedetrajetparlaphase . . . . . . . . . . . . 134
5.3 Résolutiondel’ambiguïté dephase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.1 Positionduproblème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.2 Approcheproposée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.4 Architecturedurécepteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4.1 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.4.2 Traitementdusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5 Expérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.1 Caractéristiquesdelacarted’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.5.2 Planificationdesexpérimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
vii