Contributions à la navigation en présence d’entrées inconnues et à la sécurité cyber-physique

Contributions to Navigation Under Unknown Input and Cyber-Physical Security

• Auteur / Autrice : Ghadeer Shaaban
• Direction : Alain Y. Kibangou, Christophe Prieur, Hassen Fourati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et productique
• Date : Soutenance le 12/09/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe-projet Dynamique et contrôle des réseaux (Montbonnot, Isère, France ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Grenoble Images parole signal automatique (2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Gildas Besançon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manon Kok
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Subhrakanti Dey, Tomas Ménard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Estimation de paramètres

Représentations de groupes

Systèmes informatiques -- Mesures de sûreté

Mots clés libres

Navigation

Estimation d’attitude/vitesse/position

Filtrage avec entrées inconnues

Groupe SO(3)

Sécurité cyber-Physique

Défense active

Navigation

Attitude/velocity/position estimation

Unknown input filtering

SO(3) group

Cyber-Physical security

Active defense

Résumé

Cette thèse contribue à l’estimation d’état sur le groupe spécial orthogonal SO(3) en présence d’entrées inconnues et à la sécurité des systèmes cyber-physiques. Deux défis liés aux entrées inconnues sont abordés. Le premier concerne l’estimation de l’attitude sans gyroscope, notamment en raison d’inconvénients tels qu’une consommation énergétique élevée. Le second concerne la séparation entre la gravité terrestre, nécessaire à l’estimation de l’attitude, et l’accélération externe, nécessaire à l’estimation de la position et de la vitesse. Ces données sont issues de mesures d’accéléromètre. En outre, deux problématiques de sécurité liées aux applications de navigation sont étudiées : l’estimation sécurisée de l’attitude sur SO(3) en présence d’attaques par injection aléatoire de fausses données, et l’analyse de la sécurité du modèle latéral d’un véhicule terrestre en cas d’attaques liées aux zéros dynamiques. Enfin, cette thèse propose une stratégie de défense active, appelée « tromper les observateurs non autorisés », qui cible les attaquants tentant d’estimer sans autorisation l’état du système à distance. Cette approche introduit une nouvelle direction en matière de sécurité des systèmes cyber-physiques, fondée sur des mécanismes de défense actifs plutôt que passifs.

This thesis contributes to state estimation on the special orthogonal group SO(3) under unknown input and to cyber-physical systems (CPS) security. Two challenges related to unknown input are addressed. The first is attitude estimation without relying on the gyroscope, due to its drawbacks such as high-power consumption. The second is the separation of Earth gravity and external acceleration from accelerometer measurements, as the former is needed for attitude estimation and the latter for position and velocity. Additionally, two security problems related to navigation applications are addressed: secure attitude estimation on SO(3) under randomly occurring false data injection attacks, and security analysis of the ground vehicle lateral model under zero dynamics attacks. Finally, the thesis proposes an active defense strategy called “misleading unauthorized observers”, which targets attackers attempting unauthorized remote state estimation. This strategy introduces a new direction in CPS security based on active rather than traditional passive defenses.