Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Apport des satellites LEO pour un système de localisation robuste en environnement ferroviaire

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - LEOST  -  MARAIS Juliette      tél. : +33 320438495

Directeur du laboratoire principal COCHERIL Yann  -

Spécialité de la thèse Navigation, Traitement du signal

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Lille-Villeneuve d'Ascq

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale MADIS

Directeur de thèse prévu MARAIS Juliette  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - LEOST

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Si les constellations de navigation GNSS sont largement exploitées dans le domaine des transports depuis de nombreuses années, elles se heurtent toujours à des limites de performance dans certains environnements masqués ou contraints qui empêchent le système d’atteindre les niveaux de performance élevés requis par certaines applications, dans le domaine ferroviaire par exemple en termes de précision, disponibilité et intégrité. La plupart des solutions développées reposent ainsi sur l’hybridation d’un récepteur GNSS avec d’autres capteurs tels que centrale inertielle, odomètre, éventuellement caméras, et l’intégration de cartes numériques.
L’évolution des solutions de navigation (PNT – Position Navigation Time) s’ouvre aujourd’hui à la complémentarité avec d’autres systèmes, terrestres (réseaux 5G ou 6G) ou aux nouvelles constellations de satellites en orbite basse LEO qui se multiplient. Les systèmes sont aujourd’hui des constellations essentiellement privées (Xona, Starlink, OneWeb, Iridium…) mais de futures constellations européennes sont en projet tels que les premiers satellites de démonstrations LEO-PNT commandés par l’ESA et le développement du projet IRIS² de constellation de connectivité sécurisée. Ces satellites ne sont pas nécessairement spécifiquement développés à des fins de navigation mais pour les communications, l’observation de la terre ou la télédétection. Ils permettent cependant de se localiser en les considérant comme des signaux opportunistes [Kassas] [Sharma], à partir de mesures Doppler [Zhao]. De plus les prochaines constellations pourront embarquer des signaux de type GNSS. Le nombre de satellites disponible est important. Les satellites sont plus proches et les pertes causées par la propagation sont plus faibles… Plusieurs inconvénients font l’objet de travaux de recherche : la détermination précise de leurs orbites est nécessaire ; leurs signaux sont plus susceptibles d’être bloqués par l’environnement proche… Leur intégration est envisagée à différents niveaux : comme un système d’augmentation, un système de localisation indépendant, ou comme solution de secours. Des études telle que [Crespillo] proposent l’utilisation des LEO comme stations de surveillance spatiale des interférences et de leurrage. Les résultats de la simulation suggèrent que les nouveaux développements des technologies LEO offrent des opportunités intéressantes pour le développement de nouveaux systèmes d’augmentation pour soutenir l’amélioration de la surveillance de l’intégrité en termes de temps d’alerte, de sensibilité de détection des défauts et le suivi de l’intégrité des services à haute précision.
L’usage et le développement de ces nouvelles solutions est un objet d’intérêt important dans la communauté navigation ces dernières années [Çelikbilek] et ils méritent d’être étudiés pour les applications ferroviaires. Elles ne demandent pas d’infrastructure le long de la voie et sont a priori disponibles dans tout type de zone. Les nouveaux systèmes ferroviaires en développement seront des trains connectés et autonomes et l’intérêt des LEOs pour les communications est déjà adressé dans le projet EU S5LECT et l’intérêt d’un même système pour assurer à la fois les besoins de communication et de localisation en font un système particulièrement intéressant.
On s’intéressera notamment au cas d’usage du « start of mission » qui demande au train de se localiser à la voie et avec une grande confiance, lors d’un arrêt intempestif en pleine voie, sans équipement sur la voie.
Le LEOST s’intéresse aux solutions de localisation ferroviaires depuis plus de 20 ans, participe à de nombreux projets européens visant l’introduction du GNSS dans le rail, tels que les récents RAILGAP ou en cours VICE4RAIL et R2DATO. L’introduction des satellites à orbite plus basse (LEO) est un nouveau chapitre pour l’équipe. Un premier stage de M2 réalisé avant le début de la thèse va permettre de mettre en œuvre un banc de test à partir d’outils déjà disponibles au laboratoire mais adaptés à ces nouveaux signaux.
Le sujet de thèse sera le premier sur ce sujet mais bénéfieciera de l’expertise de l’équipe sur la simulation, le traitement des signaux et l’utilisation de la localisation dans un contexte ferroviaire. Les travaux démarreront par un état de l’art des solutions de navigation à partir de signaux LEO et le choix d’une ou plusieurs techniques à tester. Les constellations LEO comme le système GOVSATCOM ou autres satellites publics seront explorées pour répondre aux besoins du ferroviaire, en complémentarité avec les solutions terrestres.
Ce ou ces solutions seront implémentées sur un banc de test mis en œuvre au LEOST couvrant la simulation des signaux (Logiciel Skydel) jusqu’au le traitement des signaux sur un récepteur SDR, qu’il faudra peut-être compléter. L’analyse des performances utilisateurs dans un cadre d’application ferroviaire (tenant compte des environnements de réception et des contraintes opérationnelles) sera la base de travail pour étudier le niveau d’intégration utile des LEO dans le système de localisation hybride (back-up, augmentation ou niveau de fusion) et développer une ou plusieurs solutions adaptée(s) au cas d’usage défini et évaluera l’ensemble des performances obtenues : précision, disponibilité et intégrité.

Réferences

Çelikbilek, K., & Lohan, E. S. (2024). LEO-PNT Performance Metrics: An Extensive Comparison Between Different Constellations. Proceedings of Work-in-Progress in Hardware and Software for Location Computation (WIPHAL 2024).
Crespillo, O. G., Meurer, M., Oezmaden, C., & Brachvogel, M. (2024, September). Integrity Monitoring and Augmentation of GNSS from Low Earth Orbit Constellations. In Proceedings of the 37th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2024) (pp. 2299-2307).
Z. Kassas, S. Kozhaya, J. Saroufim, H. Kanj, S. Hayek, A look at the stars: Navigation with
multi-constellation LEO satellite signals of opportunity, Inside GNSS (2023).
Sharma, H., Dötterböck, D., & Pany, T. (2024, January). Assessment of Potential System Interference through Radio Frequency Compatibility Analysis on Existing GNSS Frequencies by Emerging LEO Constellations. In Proceedings of the 2024 International Technical Meeting of The Institute of Navigation (pp. 490-504).
C. Zhao, H. Qin, Z. Li, Doppler measurements from multiconstellations in opportunistic navigation,
IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 71 (2022) 1–9. doi:10.1109/TIM.2022.
3147315.

Mots-clefs: Navigation, Ferroviaire, LEO PNT, GNSS

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - LEOST - MARAIS Juliette tél. : +33 320438495
Directeur du laboratoire principal	COCHERIL Yann -
Spécialité de la thèse	Navigation, Traitement du signal
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Lille-Villeneuve d'Ascq
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	MADIS
Directeur de thèse prévu	MARAIS Juliette - Université Gustave Eiffel - COSYS - LEOST
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Si les constellations de navigation GNSS sont largement exploitées dans le domaine des transports depuis de nombreuses années, elles se heurtent toujours à des limites de performance dans certains environnements masqués ou contraints qui empêchent le système d’atteindre les niveaux de performance élevés requis par certaines applications, dans le domaine ferroviaire par exemple en termes de précision, disponibilité et intégrité. La plupart des solutions développées reposent ainsi sur l’hybridation d’un récepteur GNSS avec d’autres capteurs tels que centrale inertielle, odomètre, éventuellement caméras, et l’intégration de cartes numériques. L’évolution des solutions de navigation (PNT – Position Navigation Time) s’ouvre aujourd’hui à la complémentarité avec d’autres systèmes, terrestres (réseaux 5G ou 6G) ou aux nouvelles constellations de satellites en orbite basse LEO qui se multiplient. Les systèmes sont aujourd’hui des constellations essentiellement privées (Xona, Starlink, OneWeb, Iridium…) mais de futures constellations européennes sont en projet tels que les premiers satellites de démonstrations LEO-PNT commandés par l’ESA et le développement du projet IRIS² de constellation de connectivité sécurisée. Ces satellites ne sont pas nécessairement spécifiquement développés à des fins de navigation mais pour les communications, l’observation de la terre ou la télédétection. Ils permettent cependant de se localiser en les considérant comme des signaux opportunistes [Kassas] [Sharma], à partir de mesures Doppler [Zhao]. De plus les prochaines constellations pourront embarquer des signaux de type GNSS. Le nombre de satellites disponible est important. Les satellites sont plus proches et les pertes causées par la propagation sont plus faibles… Plusieurs inconvénients font l’objet de travaux de recherche : la détermination précise de leurs orbites est nécessaire ; leurs signaux sont plus susceptibles d’être bloqués par l’environnement proche… Leur intégration est envisagée à différents niveaux : comme un système d’augmentation, un système de localisation indépendant, ou comme solution de secours. Des études telle que [Crespillo] proposent l’utilisation des LEO comme stations de surveillance spatiale des interférences et de leurrage. Les résultats de la simulation suggèrent que les nouveaux développements des technologies LEO offrent des opportunités intéressantes pour le développement de nouveaux systèmes d’augmentation pour soutenir l’amélioration de la surveillance de l’intégrité en termes de temps d’alerte, de sensibilité de détection des défauts et le suivi de l’intégrité des services à haute précision. L’usage et le développement de ces nouvelles solutions est un objet d’intérêt important dans la communauté navigation ces dernières années [Çelikbilek] et ils méritent d’être étudiés pour les applications ferroviaires. Elles ne demandent pas d’infrastructure le long de la voie et sont a priori disponibles dans tout type de zone. Les nouveaux systèmes ferroviaires en développement seront des trains connectés et autonomes et l’intérêt des LEOs pour les communications est déjà adressé dans le projet EU S5LECT et l’intérêt d’un même système pour assurer à la fois les besoins de communication et de localisation en font un système particulièrement intéressant. On s’intéressera notamment au cas d’usage du « start of mission » qui demande au train de se localiser à la voie et avec une grande confiance, lors d’un arrêt intempestif en pleine voie, sans équipement sur la voie. Le LEOST s’intéresse aux solutions de localisation ferroviaires depuis plus de 20 ans, participe à de nombreux projets européens visant l’introduction du GNSS dans le rail, tels que les récents RAILGAP ou en cours VICE4RAIL et R2DATO. L’introduction des satellites à orbite plus basse (LEO) est un nouveau chapitre pour l’équipe. Un premier stage de M2 réalisé avant le début de la thèse va permettre de mettre en œuvre un banc de test à partir d’outils déjà disponibles au laboratoire mais adaptés à ces nouveaux signaux. Le sujet de thèse sera le premier sur ce sujet mais bénéfieciera de l’expertise de l’équipe sur la simulation, le traitement des signaux et l’utilisation de la localisation dans un contexte ferroviaire. Les travaux démarreront par un état de l’art des solutions de navigation à partir de signaux LEO et le choix d’une ou plusieurs techniques à tester. Les constellations LEO comme le système GOVSATCOM ou autres satellites publics seront explorées pour répondre aux besoins du ferroviaire, en complémentarité avec les solutions terrestres. Ce ou ces solutions seront implémentées sur un banc de test mis en œuvre au LEOST couvrant la simulation des signaux (Logiciel Skydel) jusqu’au le traitement des signaux sur un récepteur SDR, qu’il faudra peut-être compléter. L’analyse des performances utilisateurs dans un cadre d’application ferroviaire (tenant compte des environnements de réception et des contraintes opérationnelles) sera la base de travail pour étudier le niveau d’intégration utile des LEO dans le système de localisation hybride (back-up, augmentation ou niveau de fusion) et développer une ou plusieurs solutions adaptée(s) au cas d’usage défini et évaluera l’ensemble des performances obtenues : précision, disponibilité et intégrité. Réferences Çelikbilek, K., & Lohan, E. S. (2024). LEO-PNT Performance Metrics: An Extensive Comparison Between Different Constellations. Proceedings of Work-in-Progress in Hardware and Software for Location Computation (WIPHAL 2024). Crespillo, O. G., Meurer, M., Oezmaden, C., & Brachvogel, M. (2024, September). Integrity Monitoring and Augmentation of GNSS from Low Earth Orbit Constellations. In Proceedings of the 37th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2024) (pp. 2299-2307). Z. Kassas, S. Kozhaya, J. Saroufim, H. Kanj, S. Hayek, A look at the stars: Navigation with multi-constellation LEO satellite signals of opportunity, Inside GNSS (2023). Sharma, H., Dötterböck, D., & Pany, T. (2024, January). Assessment of Potential System Interference through Radio Frequency Compatibility Analysis on Existing GNSS Frequencies by Emerging LEO Constellations. In Proceedings of the 2024 International Technical Meeting of The Institute of Navigation (pp. 490-504). C. Zhao, H. Qin, Z. Li, Doppler measurements from multiconstellations in opportunistic navigation, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement 71 (2022) 1–9. doi:10.1109/TIM.2022. 3147315.
Mots-clefs:	Navigation, Ferroviaire, LEO PNT, GNSS

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