Conception d’un système de navigation inertielle pour drones civils robuste aux menaces GPS

Nyoba Tchonkeu, Méloné (2025). Conception d’un système de navigation inertielle pour drones civils robuste aux menaces GPS. Mémoire. Gatineau, Université du Québec en Outaouais, Département d’informatique et d’ingénierie, 157 p.

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Résumé

Ce mémoire porte sur la conception, la simulation et l’évaluation d’un système de navigation hybride combinant le positionnement global par satellite (GPS : Global Positioning System), la navigation inertielle (INS : Inertial Navigation System) à partir de mesures d’unités de mesure inertielle (IMU : Inertial Measurement Unit) et l’odométrie visuelle (VO : Visual Odometry), dans le but d’assurer la continuité et la robustesse de la navigation en présence d’attaques GPS, notamment le brouillage (jamming) et l’usurpation de signal (spoofng). Ce travail s’inscrit dans le contexte croissant des applications autonomes, en particulier les véhicules aériens sans pilote civils (UAVs civils ou drones civils), où la précision du position¬nement et la résilience face à des environnements GPS dégradés sont devenues des exigences critiques.
La première partie du mémoire est consacrée à une revue de la littérature sur les techniques d’attaque ciblant les signaux GPS, les méthodes de détection et les approches de mitigation. Cette étude met en lumière les limites des architectures GPS/INS classiques face à de telles menaces, l’intérêt croissant pour l’hybridation du système INS et de la VO (INS/VO) qui constitue l’odométrie visuelle inertielle (VIO : Visual Inertial Odometry) comme solution complémentaire, ainsi que l’utilisation de techniques de détection d’anomalies GPS basées sur les innovations statistiques, notamment la distance de Mahalanobis.
Sur le plan méthodologique, une architecture hybride GPS/INS/VO ou GPS/VIO est pro-posée, dans laquelle la composante VO est simulée par l’estimation du vecteur directeur de vitesse à l’aide du flux optique. Afin de renforcer la stabilité verticale et d’améliorer les performances de navigation en altitude, en particulier en cas de compromission du signal GPS, cette architecture est ensuite étendue en une fusion GPS/VIO/Baro par l’intégration d’un capteur barométrique. Ce dernier fournit une information altimétrique fable, indépen¬dante du signal satellite, qui contribue à améliorer la robustesse globale du système dans les environnements où la couverture GPS est partielle ou trompée.
Un cadre de simulation sous MATLAB, effectué au Laboratoire de Robotique et Systèmes Autonomes (LARSA) de l’Université du Québec en Outaouais (UQO), a été développé pour générer des trajectoires de référence, des mesures GPS (authentiques ou falsifiées), des si¬gnaux inertiels bruités, et des données VIO synthétiques issues d’un algorithme de gradient descendant appliqué au flux optique. L’évaluation repose sur l’analyse de la stabilité du posi¬tionnement, la détection d’attaques via des méthodes statistiques (distance de Mahalanobis couplée à une moyenne mobile exponentielle, EMA), ainsi que l’étude de la robustesse de l’architecture proposée face aux perturbations GPS, et enfin les validations expérimentales pour répondre aux questions de recherche.
Les résultats expérimentaux montrent que l’hybridation GPS/VIO permet de compenser effacement la dérive du positionnement lors d’attaques GPS. L’intégration du capteur ba-rométrique améliore quant à elle la précision et la stabilité du positionnement en altitude, particulièrement dans les scénarios où le GPS est brouillé ou usurpé. La combinaison de la distance de Mahalanobis et de la moyenne mobile exponentielle s’est révélée performante pour détecter les anomalies GPS tout en maintenant un faible taux de fausses alertes. Les performances du système dépendent toutefois fortement de la configuration géométrique des points visuels simulés, du compromis entre la fréquence de mise à jour du VIO et le nombre d’itérations de l’algorithme de gradient descendant, ainsi que du réglage fin des paramètres des observateurs non linéaires intégrés à l’architecture.
Ce travail contribue alors à poser les bases d’une navigation autonome sécurisée, fable et robuste, adaptée aux environnements GPS partiellement ou totalement compromis, et ouvre des perspectives pour des implémentations embarquées à plus grande échelle.

Type de document:	Thèse (Mémoire)
Directeur de mémoire/thèse:	Berkane, Soulaimane
Mots-clés libres:	Navigation autonome; GPS; UAV (drone civil); IMU; INS; VO; VIO; Capteur Barométrique; Spoofng; Jamming; Distance de Mahalanobis; Moyenne mobile exponentielle (EMA); Observateurs non linéaires (NLO)
Départements et école, unités de recherche et services:	Informatique et ingénierie
Date de dépôt:	25 nov. 2025 15:13
Dernière modification:	25 nov. 2025 15:13
URI:	https://di.uqo.ca/id/eprint/1863

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