Analysis and improvement of GNSS navigation message demodulation performance in urban environments

Les systèmes de navigation par satellites sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. De nouveaux besoins émergent, majoritairement en environnement urbain. Dans ce type d'environnement très obstrué, le signal reçu par l'utilisateur a subit des atténuations ainsi que des réfractions/diffractions, ce qui rend difficile la démodulation des données et le calcul de position de l'utilisateur. Les signaux de navigation par satellites étant initialement conçus dans un contexte d'environnement dégagé, leurs performances de démodulation sont donc généralement étudiées dans le modèle de canal de propagation AWGN associé. Or aujourd'hui ils sont utilisés aussi en environnements dégradés. Il est donc indispensable de fournir et d'étudier leurs performances de démodulation dans des modèles de canal de propagation urbain. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, le but final étant d'améliorer les performances de démodulation des signaux GNSS en milieux urbains, en proposant un nouveau signal. Afin de pouvoir fournir et analyser les performances de démodulation des signaux de navigation par satellite en milieux urbains, un outil de simulation a été développé dans le cadre de cette thèse : SiGMeP pour « Simulator for GNSS Message Performance ». Il permet de simuler la chaine entière d'émission/réception d'un signal de navigation par satellites et de calculer ses performances de démodulation en milieu urbain. Les performances de démodulation des signaux existants et modernisés ont donc été calculées avec SiGMeP en environnement urbain. Afin de représenter au mieux ces performances pour qu'elles soient le plus réalistes possibles, une nouvelle méthode adaptée au cas urbain est proposée dans ce manuscrit. Ensuite, pour améliorer ces performances de démodulation, l'axe de recherche s'est essentiellement porté sur le « codage canal ». Pour décoder l'information utile transmise, le récepteur calcule une fonction de détection à l'entrée du décodeur. Or la fonction de détection utilisée dans les récepteurs classiques correspond à un modèle de canal AWGN. Ce manuscrit propose donc une fonction de détection avancée, qui s'adapte au canal de propagation dans lequel l'utilisateur évolue, ce qui améliore considérablement les performances de démodulation, en ne modifiant que la partie récepteur du système. Enfin, dans le but de concevoir un nouveau signal avec de meilleures performances de démodulation en environnement urbain que celles des signaux existants ou futurs, un nouveau codage canal de type LDPC a été optimisé pour une modulation CSK. En effet, la modulation CSK est une modulation prometteuse dans le monde des signaux de type spectre étalé, qui permet de se débarrasser des limitations en termes de débit de données qu'impliquent les modulations actuelles des signaux de navigation par satellites.Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are increasingly present in our everyday life. Further operational needs are emerging, mainly in urban environments. In these obstructed environments, the signal emitted by the satellite is severely degraded due to the many obstacles. Consequently, the data demodulation and the user position calculation are difficult. GNSS signals being initially designed in an open environment context, their demodulation performance is thus generally studied in the associated AWGN propagation channel model. But nowadays, GNSS signals are also used in degraded environments. It is thus essential to provide and study their demodulation performance in urban propagation channel models. It is in this context that this PhD thesis is related, the final goal being to improve GNSS signals demodulation performance in urban areas, proposing a new signal. In order to be able to provide and study GNSS signals demodulation performance in urban environments, a simulation tool has been developed in this PhD thesis context: SiGMeP for ‘Simulator for GNSS Message Performance'. It allows simulating the entire emission/reception GNSS signal chain in urban environment. Existing and modernized signals demodulation performance has thus been computed with SiGMeP in urban environments. In order to represent this demodulation performance faithfully to reality, a new methodology adapted to urban channels is proposed in this dissertation. Then, to improve GNSS signals demodulation performance in urban environments, the research axis of this thesis has focused on the ‘Channel Coding' aspect. In order to decode the transmitted useful information, the receiver computes a detection function at the decoder input. But the detection function used in classic receivers corresponds to an AWGN propagation channel. This dissertation thus proposes an advanced detection function which is adapting to the propagation channel where the user is moving. This advanced detection function computation considerably improves demodulation performance, just in modifying the receiver part of the system. Finally, in order to design a new signal with better demodulation performance in urban environments than one of existing and future signals, a new LDPC channel code has been optimized for a CSK modulation. Indeed, the CSK modulation is a promising modulation in the spread spectrum signals world, which permits to free from limitation sin terms of data rate implied by current GNSS signals modulations