Samama

Groupe Navigation

La localisation en intérieur

LA LOCALISATION EN INTERIEUR

Groupe NavigationInstitut TELECOM

Département Electronique et Physique


Groupe Navigation Plan de la présentation

Introduction

Les différentes techniques et technologies

Cas des «HS-GNSS», «A-GNSS», etc…

Cas des Pseudolites

Cas des Répéteurs GNSS

Conclusion


Groupe Navigation

Elle constitue une brique de base pourla navigationles géoservices qui sont à la convergence

Télécommunications - Contenus - Localisationl’utilisation de la donnée « localisation »

Elle devraitêtre disponible dans des environnements variésfournir une précision qui dépend du contexte et de

l’application visésgérer la notion de continuité de service

La localisation géographique


Groupe Navigation

Technique de localisation

IntérieurExtérieurFonction NavigationContinuité de service

Cell-Id

OUIOUINONNON

GNSS

NONOUIOUINON

Présentation simplifiée du problème

Cas de la fonction « Navigation »


Groupe Navigation Les applications potentielles

Drones

Tunnels routiers

Tunnels fluviaux

Parkings

ServicesGéolocalisés

Analyse de structures


Groupe Navigation

LIEUX

Aéroport / GareCampagne / MontagneCentre CommercialCentre de ConférenceEntrepôtMer / PortMuséeParc d’attractionRouteRueZone de stockage...

PRECISION

≈ 10 m< 100 m

< quelques m< quelques m

≈ 1 m1 m ↔ 100 m< quelques m

≈ 10 m≈ 10 m≈ 10 m< 10 m

...

INTERIEUR

IndispensablePas ObligatoireIndispensableIndispensableIndispensable

-UtileUtile

--

Pas Obligatoire...

EXTERIEUR

IndispensableUtile

Pas ObligatoirePas Obligatoire

UtileIndispensable

-Utile

IndispensableIndispensableIndispensable

...

Fonction « localisation » (2)

Quelques détails par « lieux »

Groupe Navigation


Omniprésence du GPS …

Les applications

Groupe Navigation


Les besoins actuels

Performances souhaitées

Fonctionnement dans tous les environnements (continuité du service)

Récepteurs Haute-Sensibilité

Acquisition rapide (consommation, utilisation)

Aide pour la récupération des éphéméridesEphémérides à long terme (LTE)

Intégration dans divers terminaux (développement des applications)

Téléphones mobilesPetits dispositifs

Groupe Navigation


Les besoins actuels

L’intégration de la fonction GPS

Problèmes à résoudreConsommationIntégration de bonne qualité

Groupe Navigation


Limitations des GNSS

Besoin de 4 satellites

Mesures de temps de parcours

Niveaux de réception très faibles (-130 dBm)

Des "problèmes vont donc apparaître dès:

que le signal subira des atténuations (intérieur, …)qu'il y aura des obstacles (bâtiments, intérieur, …)que des trajets multiples seront présents (ville, intérieur, …)

Groupe Navigation


• GNSS

– Récepteurs Haute Sensibilité (HS-GNSS)– Récepteurs Aidés (Assisted-GNSS)

– Galileo, GLONASS et COMPASS

– Générateurs "locaux" (Pseudolites, Répéteurs)

• Hybridation

Mobile

BS2

BS1

A-GPSserver

GPS Satellites

Assistancedata

GPS Signal

Mobile

BS2

BS1

A-GPSserver

GPS Satellites

Assistancedata

GPS Signal

East (metres)

Nor

th (m

e tre

s)

rover point(start & end) double brick

exterior walls

rooms withdouble brick interior walls

Iron roof over entire building

~1.5m

East (metres)

Nor

th (m

e tre

s)

rover point(start & end) double brick

exterior walls

rooms withdouble brick interior walls

Iron roof over entire building

~1.5m

Développements en cours

Le positionnement en milieux contraints

Groupe Navigation


Il reste toujours des limitations

LOS

Reflected paths

NLOSLOS

Reflected paths

NLOS

Intérieur

Canyons Urbains

Groupe Navigation


De nombreuses solutions ont été proposées

Cas particulier de l'intérieur

Source: Global Positioning, Wiley

Groupe Navigation


Applications et marchés

Source: Projet AGILE (FP6)

Annual Shipment of 3G GPS equipped handset

Global GPS-Equipped Mobile Handset Shipment Forecast

Source: Berg Insight 2007

Source: iSuppli Oct 2007

Applications et services

Groupe Navigation


L'approche de Nokia


Groupe Navigation

LES TECHNIQUES ET LES TECHNIQUES ET TECHNOLOGIESTECHNOLOGIES




Groupe Navigation

Mesures d’angles(« triangulation »)

Mesures de distances(« trilateration »)

« Cartographies »

MSC

Az1

Az2Az3

N

N

N

BS1

BS2

BS3

S1

S2S3

S4

1ρ

2ρ3ρ

4ρ

( , , )r r rx y z

0 0 0 0 0 00 0 0 1 0 00 0 0,5 0 3 0,5 6,5 8,5 5 9,5 13 15,5 184,5 2,5 5,5 1,5 3,5 6 9 7 5,5 9,5 7 12 161 0 0 0 0 3,5 3,5 3,5 8,5 8 9 7,5 17,51,5 0 0 0,5 3 4 3,5 6 7,5 2 12,5 6 101 0,5 1,5 2,5 3,5 0,5 9 7 1,5 6,5 9,5 11 114 6,5 4,5 4,5 0 2,5 4,5 2,5 4,5 9 10,5 5 5,56 7 1,5 0,5 4,5 6,5 2 3,5 3 4 9,5 9,5 8,56,5 5 1,5 6,5 5,5 0 0,5 1,5 5,5 8 2 4,5 12 2 9,5 3 1,5 3 3,5 2,5 4 3,5 5,5 10 60 0 0 0 0 1,5 4,5 0,5 2 1,5 4,5 6 00 0,5 0 0 0 1,5 2 2,5 2,5 3,5 0,5 0 00 0 0 0 0 2 3 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0

0 0 00 0 0

Les principales méthodes


Groupe Navigation

Réclamant une forte infrastructure spécifiqueActive Badge, Bat System, Smart Floor, ...

Utilisant les réseaux locaux de communicationWi-Fi (802.11), BlueTooth, RADAR, UWB, ...

Mettant à profit l ’infrastructure des réseaux mobilesCell-ID, E-OTD, AOA, E-TDOA, ...

Basée sur des techniques satellitairesA-GPS, HS-GPS, Pseudolites, Répéteurs, …

Venant en complément pour la navigationGyroscopes, Accéléromètres, Odomètres, Altimètres, …

Les techniques en développement


Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie IRMode de localisation InfrastructureSuivi 0.1 HzEnvironnement IntérieurType de localisation Symbolique

PerformancesPrécision PièceRayon d’action 1 base/pièce

Active Badge (XEROX, AT&T)


Groupe Navigation Bat System (AT&T)

Description techniqueTechnologie Ultra-SonsMode de localisation InfrastructureSuivi ContinuEnvironnement IntérieurType de localisation Relative

PerformancesPrécision quelques cmRayon d’action 10 m2


Groupe Navigation Smart Floor (GeorgiaTech, ...)

Description techniqueTechnologie Capteur de pressionMode de localisation InfrastructureSuivi ContinuEnvironnement IntérieurType de localisation Relative

PerformancesPrécision quelques cmRayon d’action Contact

• Principe

• Modélisation

• Résultats


Groupe Navigation Easy Living (Microsoft)

Description techniqueTechnologies Camera/

Capteurs/RFMode de localisation InfrastructureSuivi ContinuEnvironnement IntérieurType de localisation Symbolique

PerformancesPrécision VariableRayon d’action 3 caméras/pièce


Groupe Navigation RF ID

Description techniqueTechnologie RFMode de localisation InfrastructureSuivi PonctuelEnvironnements Intérieur-ExtérieurType de localisation Symbolique

PerformancesPrécision < 1 mRayon d’action < 1 m


Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie RF à 2,4 GHzMode de localisation RéseauSuivi ContinuEnvironnement IntérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision quelques mRayon d’action réseau local

Réseau sans fil WiFi (IEEE 802.11)

• RADAR : signature électromagnétique

• Pinpoint ’s 3D-iD : temps de propagation

PA1

PA3

PA2

Réseau IEEE 802.11

Mobile


Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie RF à 2,4 GHzMode de localisation InfrastructureSuivi DiscontinuEnvironnement IntérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision ≈ 3 m ↔ densitéRayon d’action réseau local

Serveur réseau Ethernet

Digital-Guide (Osaka)

PA PAPA

PA PA

Réseau sans fil Bluetooth


Groupe Navigation Ultra Large Bande (UWB : Ultra Wide Band)

Description techniqueTechnologie RFMode de localisation InfrastructureSuivi ContinuEnvironnement IntérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision quelques cmRayon d’action quelques m


Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie RF à 0,9 et 2GHzMode de localisation RéseauSuivi Quasi-ContinuEnvironnements Intérieur-ExtérieurType de localisation Symbolique

PerformancesPrécision taille de la celluleRayon d’action 100 m à 30 km

BS

Identification de cellule (Cell-ID: GSM - UMTS)


Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie RF à 0,9 et 2GHzMode de localisation RéseauSuivi Quasi-ContinuEnvironnement ExtérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision quelques 100 mRayon d’action réseau

MSC

• collecte des azimuts• calcul de la position du mobile

Mesure de l’angle d’arrivée (AOA: Angle Of Arrival)

Az1

Az2Az3

N

N

N

BS1

BS2

BS3


Groupe Navigation

BS3

ta1

BS2

BS1

ta2

ta3

MSC

• collecte des instants d'arrivée• calcul de la position du mobile

Mesure du temps de propagation (TOA: Time Of Arrival)

Description techniqueTechnologie RF à 0,9 et 1,8GHzMode de localisation RéseauSuivi Quasi-ContinuEnvironnement Intérieur-ExtérieurType de localisation Absolue



Groupe Navigation

BS3

ta1

BS2

BS1

ta2

ta3

MSC

• collecte des instants d'arrivée et des corrections• calcul de la position du mobile

d t12

d t23

d t31

Mobile

Mesure du temps de propagation(TDOA – OTDOA: Time Difference Of Arrival)

Description techniqueTechnologie RF à 0,9 et 2GHzMode de localisation Réseau /MobileSuivi Quasi-ContinuEnvironnement Intérieur-ExtérieurType de localisation Absolue



Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie RFMode de localisation MobileSuivi ContinuEnvironnement ExtérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision quelques mRayon d’action global

S1

S2S3

S4

1ρ

2ρ3ρ

4ρ

( , , )r r rx y z

1 4i i ud c t iρ = + ∆ = L

( ) ( ) ( )2 2 2i Si r Si r Si rd x x y y z z= − + − + −

uc t∆

GNSS


Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie RFMode de localisation MobileSuivi ContinuEnvironnement «Intérieur»-ExtérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision «quelques m»Rayon d’action global

Tiré de Indoor GPS Technology, Frank van Diggelen et Charles Abraham, Global Locate Inc.

CTIA Wireless-Agenda, Dallas, Mai 2001

GPS Haute Sensibilité (HS-GPS: High Sensitivity GPS)


Groupe Navigation

Description techniqueTechnologie GNSS/PulséMode de localisation MobileSuivi ContinuEnvironnement Intérieur-«Extérieur»Type de localisation «Absolue»

PerformancesPrécision «quelques cm»Rayon d’action local

Pseudolites (Pseudo-Satellites)


Groupe Navigation Répéteurs GNSS

Description techniqueTechnologie GNSS/PulséMode de localisation MobileSuivi ContinuEnvironnement Intérieur-ExtérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision ≈ 1 mRayon d’action local

S1S2S3

S4

1d2d

3d

S1S2S3

S41ρ2ρ3ρ

4ρ

1d2d3d

4d


Groupe Navigation GPS assisté par réseau (A–GPS: Assisted GPS)

Mobile

BS2

BS1

MSCServeurA-GPS

Satellites GPS

Infosassistance

SignalGPS

Description techniqueTechnologie GNSS et RFMode de localisation Réseau/MobileSuivi Quasi-ContinuEnvironnement Intérieur-ExtérieurType de localisation Absolue

PerformancesPrécision quelques 10 à 100 mRayon d’action réseau


Groupe Navigation Systèmes hybrides

Mobile

BSdAz

N

Combinaison des techniques :

TDOA et RSSTDOA et AOAA-FLT et A-GPSE-OTD et A-GPS...


Groupe Navigation Systèmes complémentaires

PNS

Altimètre

Boussole

Accéléromètres


Groupe Navigation

LES TECHNIQUESGNSS INDOOR




Groupe Navigation Un classement des approches développées

Sans infrastructure spécifique nouvellele GPS haute sensibilité

l’Assisted GPS

les solutions hybrides

Avec une infrastructure à déployer « localement »les Pseudolites

les Répéteurs


Groupe Navigation


le «HS-GPS», l ’«A-GPS», …




Groupe Navigation Le problème de départ

Domaine de recherche des signaux très étenduen fréquence

en temps


Groupe Navigation Les solutions possibles

Afin d’améliorer la sensibilité et le temps d’acquisition

Système électronique complexe permettant le traitement en fréquence

Corrélateurs multiples (parallélisme massif)

Intégration longuecohérente

non cohérente


Groupe Navigation Le principe de l’Assisted-GPS

Coupler un GPS avec l’obtention de données par le réseaule message de navigation

une position de départ approximative

d’autres « aides »


Groupe Navigation


les « Pseudolites »




Groupe Navigation Architecture générale

Pseudolites

P1

P2P3

P4

1d

2d

3d4d

P5


Groupe Navigation L’exploration de Mars !


Groupe Navigation Guidage de robot

Seoul National University


Groupe Navigation Localisation en intérieur

LocataNetUniversité de New South Wales / Locata Corporation Pty Ltd Aus


Groupe Navigation


les « Répéteurs »




Groupe Navigation

Critères pour un système de positionnement par satellites en intérieur :

Mise en œuvre et utilisation aisées

Pas, ou peu, de modification des circuits électroniques

De préférence uniquement des modifications logicielles

Environ 1 mètre de précision (x, y, z)

Faible coût

Commentaires


Groupe Navigation

S1

S2S3

S4

Récepteur

1d2d

3d R1R2

R3

Bâtiment

Répéteur

Répéteurs transmettant l’ensemble des signaux de tous les satellites

Architecture « RnS »


Groupe Navigation

'

'

'

'

i i

j j

k k

m m

dddd

ρ ρρ ρρ ρρ ρ

⎡ ⎤= +⎢ ⎥= +⎢ ⎥⎢ ⎥= +⎢ ⎥

= +⎣ ⎦

'u uc t c t d∆ = ∆ +

r RnS

r RnS

r RnS

u u

X XY YZ Z

c t c t d

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥=⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥∆ ∆ +⎣ ⎦ ⎣ ⎦

S1

S2S3

S4

Receiver

RnS

d

Nouvelle position calculée

Le fonctionnement actuel d’un récepteur


Groupe Navigation

Répéteur 2

Répéteur 3

Répéteur 1

Appareil àCycler

Récepteur Mira 16

Antenne extérieure

d1 d2 = d1+D12

D12

d3 = d2+D23

d1 = d3+D31

Mesures des données brutes de pseudo-distances (différences) après paramétrage du récepteur (haute dynamique).

Déploiement et fonctionnement


Groupe Navigation

Satellite PRN 04

27

27,5

28

28,5

29

29,5

30

80 90 100 110 120 130 140 150 160

temps (secondes)

varia

tion

pseu

dodi

stan

ce (1

/5 m

/s)

Cycle 30 secondes

Transitions ti

t1t2

t3

r1 r2 r3

Répéteurs ri

Les mesures effectuées

Evaluation de la variation de la pseudo-distance :pour un satellite,entre deux mesures successives, au moment de la transition d’un répéteur vers le suivant


Groupe Navigation

Amplification

CâblesAntenneextérieure Cloisons

Coupleur

Antennesintérieures

Montage utilisé pour ces nouvelles expériences

Schéma de principe


Groupe Navigation

Trimble « Bullet » « Accutime » pour synchronisation

non encore mise en œuvre

L’antenne de réception extérieure


Groupe Navigation

Atténuateur variable

Té de polarisationAmplificateurs

Ensemble avec câbles

Electronique de cyclageCoupleur

Amplificateurs

Les traitements « hyper »


Groupe Navigation

Antenne passive MA-COM

Antenne active à l’émission « Groupe Navigation »

La retransmission en intérieur


Groupe Navigation

Mira 16 (carte Ashtech GG16)

Antenne de réception Trimble

La réception à l’intérieur


Groupe Navigation

Aile Ouest du bâtiment F de l’INT

Le site expérimental


Groupe Navigation

RépéteursPoints de référencePoints calculés

Précision(Valeur moyenne)

0.66 m

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

-4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00

Rep 1

Rep 2

Rep 3

0.35m

0.18m

0.72m

0.84m

1.07m

0.75m

0.69m

-6,00

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

-6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00

Rep 2

Rep 3

0.75m

0.94m

0.62m

0.68m

0.34m

1.18m

Rep 1

0.69m


0.74 m

Quelques résultats expérimentaux2D – étage des répéteurs


Groupe Navigation

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

-6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00

Rep 2

Rep 3

1.07m

Rep 1

1.14m

0.25m


0.82 m

RépéteursPoints de référencePoints calculés

Quelques résultats expérimentaux 2D – étage du dessous


Groupe Navigation

156

157

158

159

160

161

162

163

1640 50 100 150 200 250 300

tc = 10s

tc = 5s

tc = 2s

tc = 1s

tc = 0.4s

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

-6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00

Rep 2

Rep 3

Rep 1


0.76 m174

174,2

174,4

174,6

174,8

175

175,2

175,4

175,6

175,8

176

176,2

0 5 10 15 20

Temps

Delta(pseudodistances)

Temps

Delta(pseudodistances)

Un aspect fondamental: le temps de cyclage


Groupe Navigation Le positionnement en 3D

YY

ZZ

XX

Précision 2D Z/Y (Valeur moyenne)

0.40 m

Précision 3D(Valeur moyenne)

0.69 m

Précision 2D X/Y(Valeur moyenne)

0.56 m

Vrai pointPoint calculéRépéteur


Groupe Navigation

Répéteur

Extérieur

Intérieur

Objectif: suivre les mouvements du mobile en intérieur

Allers et retours +/- rapidement

0 m 5 m 10 m

Les conditions expérimentales


Groupe Navigation

Répéteur

Antenne de réceptionextérieure

Antenne mobile

Lorsque l’antenne mobile est immobiledérive “naturelle” de l’oscillateur local

Lorsque l’antenne mobile se déplacedoppler dû au déplacement en intérieur

Les mesures


Groupe Navigation

430

440

450

460

470

480

490

460850 460950 461050 461150

GPS seconds

Bia

s cl

ock

rate

(ns

)

250

260

270

280

290

300

310

460850 460950 461050 461150

GPS seconds

Bia

s cl

ock

rate

(ns

)

L1

d(∆t) d(∆f)=-dt f

Lassen LP

Ag132

Comparaison de 2 récepteurs

La dérive de l’oscillateur


Groupe Navigation

Expérience n°2

534

536

538

540

542

544

546

548

550

552

554

462850 462950 463050

GPS seconds

Bia

s cl

ock

rate

(ns

)

534535536537538539540541542543544545

462450 462500 462550 462600 462650 462700 462750

GPS seconds

Bia

s cl

ock

rate

(ns

)

5 m 10 m∼ 6s

5 m 10 m∼ 3s

Expérience n°1

Impact du sens et de la vitesse de déplacement

Résultats bruts


Groupe Navigation

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

462850 462950 463050

GPS seconds

Rel

ativ

e di

spla

cem

ent

(met

ers)

0

1

2

3

4

5

6

7

462450 462500 462550 462600 462650 462700 462750

GPS seconds

Rel

ativ

e di

spla

cem

ent

(met

ters

)

Expérience n°2

5 m 10 m∼ 6s

5 m 10 m∼ 3s

Expérience n°1

Modélisation de la dérive par régression linéaire

Résultats obtenus

Groupe Navigation


O

x

z

y

O’x’

z’y’

répéteur

xm0ym0zm0

[ ]

[ ]

[ ]v3Dvv3Dvv3Dv3D

v2Dvv2Dvv2Dv2D

v1Dvv1Dvv1Dv1D

cossinsincoscos v

v

cossinsincoscos v

v

cossinsincoscos v

v

Φ−Φθθ+θθ=

Φ−Φθθ+θθ=

Φ−Φθθ+θθ=

r

r

r

r

r

rx’

z’

y’

→v

Répéteur i

→vDi

Φv

ΦDv

θvθDv

α = Φv- ΦDv

δ

Représentations graphiques en coordonnées sphériques et cartésiennes

Mode vitesse - Aspects théoriques

Groupe Navigation


TRIMBLE DSM 132

Antenne de réception Trimble

Mode vitesse - Récepteur intérieur

Groupe Navigation


Quelques photos …Mode vitesse – Site de test

Groupe Navigation


Répéteur 1 allumé, puis répéteur 2, puis répéteur 3

y

z

x

v

2685

2690

2695

2700

2705

2710

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Time (s)

Dop

pler

shift

(Hz)

repeater # 1

repeater # 2

repeater # 3

Mode vitesse – Validation en 3D


Groupe Navigation

Un système de positionnement utilisant des répéteurs GNSS permet ainsi:

la détermination du vecteur vitesse en 3D en intérieur

une précision de positionnement de l'ordre de 1 à 2 mètres

la continuité complète PVT entre extérieur et intérieur

Déploiement et fonctionnement

Groupe Navigation


GNSS vs Répéteurs

4 répéteurs3D4 satellites

Répéteurs1 satellite

3 répéteurs2D3 satellitesGNSS

n satellites

S1

S2S3

S4

1ρ

2ρ3ρ

4ρ

( , , )r r rx y z

S

d4

d3d2

d1S1S2S3

S41ρ2ρ3ρ

4ρ

1d2d3d

4d

Groupe Navigation


• Kaplan ED, Hegarty C. Understanding GPS: Principles and applications. 2nd

ed. Artech House; 2006. Norwood, MA USA.

• Küpper A. Location based services — fundamentals and operation. England:

John Wiley and Sons; 2005.

• Hofmann-Wellenhof B, Lichtenegger H, Collins J. GPS theory and practice.

Springer Verlag; 2001. Springer Wien, New York.

• Parkinson BW, Spilker Jr. JJ. Global positioning system: theory and

applications. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996.

• Samama N. Global Positioning - Technologies and Performance. Hoboken:

John Wiley and Sons, 2008.

• …

Bibliographie - Ouvrages


Groupe Navigation

http://topo.epfl.chhttp://www.parthusceva.comhttp://www.uk.research.att.com/location/http://www.uk.research.att.com/ab.htmlhttp://www.cc.gatech.edu/fce/smartfloor/http://www.seas.gwu.edu/~h21c/rfidl.htmhttp://www.multispectral.comhttp://www.timedomain.comhttp://www.globallocate.comhttp://sun-valley.stanford.edu/papers/ LeMaster:2001.pdf…

Sites Internet

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