La radiolocalisation au sens propre

Historique de la radiolocalisation

Une vue dans l’histoire L’histoire de la radiolocalisation commence avec la navigation aérienne entre la première et la seconde guerre mondiale. Durant cette période, des tentatives ont été menées pour transformer le transport aérien en service civil. En parallèle, des essais militaires cherchaient à améliorer les méthodes classiques de navigation – ces dernières reposant essentiellement sur la reconnaissance par vue directe ou par des cartes de marquage. De nouvelles technologies utilisant la transmission d’un signal de guide ont été développées. Ainsi le système allemand Lorenz apparut. Il permettait la transmission d’un code similaire au code morse dans un faisceau étroit couvrant le chemin direct d’un avion. La localisation de l’appareil se faisait par rapport à son point de départ et à sa destination. Un autre système, le Gee, a été développé en Angleterre. Il était formé d’un ensemble de bases de transmission disposées à une centaine de kilomètres les unes des autres et qui émettaient une série d’impulsions synchronisées. L’un des signaux étant pilote, ce système calculait une zone de présence de l’avion à partir de la différence temporelle mesurée entre les signaux reçus. La transmission de Gee couvrait des distances allant jusqu’à 644 km avec une erreur aussi grande que quelques kilomètres.

Un autre système a été aussi développé en Angleterre, mais cette fois-ci pour la navigation maritime. Le Decca se basait sur la transmission d’un signal continu par 4 stations séparées, dont l’une était principale (master) et les trois autres secondaires (slave). En calculant les différences de phase entre le signal de la station centrale et ceux de chacune des stations secondaires, Decca dessinait une intersection entre plusieurs régions de positions probables. La zone de couverture était trop influencée par les conditions ambiantes -jour ou nuit, été ou hiver- et pouvait aller de 370 km jusqu’à 780 km. L’erreur aussi subissait les effets des conditions ambiantes et variait entre une dizaine de mètres et plusieurs kilomètres dans les bonnes ou mauvaises conditions, respectivement. Ce système a été surtout déployé dans les zones d’influence de l’Angleterre (la mer du nord étant la région la plus couverte), et il a servi jusqu’à récemment. En suivant la chronologie, le système américain LORAN apparut pendant la seconde guerre mondiale. Il utilisait le même concept que Gee, mais couvrait une zone plus large et avait une meilleure exactitude et précision. Plusieurs versions de LORAN ont été introduites dans les années suivantes, ce qui permit une couverture d’une grande partie du globe. À la fin des années 70, les américains ont lancé le développement d’un nouveau système qui un jour va remplacer la plupart sinon tous les ancêtres de la localisation. Le GPS commença alors ses premiers pas vers la réalisation. Après cette brève description chronologique de l’évolution des systèmes de localisation, les principales technologies de localisation externe et interne seront détaillées.

La radiolocalisation au sens propre

La radiolocalisation au sens propre du terme a vu ses débuts pour des applications militaires dans les milieux externes non confinés. Mais depuis ce temps, le domaine a connu une grande expansion. De nos jours, on parle de radiolocalisation comme service offert à divers consommateurs et pour différentes raisons : une vieille personne se perd, il suffira d’appeler son fournisseur de téléphone mobile pour localiser son appareil et par la suite la personne; un touriste se ballade dans une ville et cherche à se connecter à un réseau sans fille plus proche; des grandes compagnies cherchent à garder leurs matériels ou même leurs produits sous surveillance que ce soit dans leurs entrepôts (milieu interne) soit quelque part sur la route. Il existe aussi des applications plus avancées, comme dans le cas de routage ou des réseaux de capteurs. On parle alors d’algorithmes autodidactes qui utilisent leurs positions pour trouver la voie d’acheminement la moins coûteuse en énergie et temps (le temps étant relié au nombre de sauts); le service GPS qui se trouve dans le transport que ce soit maritime, aérien soit routier. Mais il y a aussi le côté sécuritaire dans la localisation comme dans les cas des appels d’urgence (911) en Amérique du Nord ou, comme dans notre cas, 1′ étude de la sécurité dans un milieu confiné sous terre.

Ainsi plusieurs scénarios et différentes conditions s’appliquent dans ce domaine. Reposant sur tout cela, la dernière décennie a témoigné d’un grand progrès dans le domaine de la localisation et de la recherche à ce niveau. Les différentes techniques de géolocalisation sont reparties en six grands groupes, soit: systèmes basés sur le temps d’arrivée du signal, systèmes basés sur le concept GPS, systèmes basés sur la puissance du signal reçu, systèmes hybrides serveur-GPS, et systèmes se basant sur le marquage de l’environnement. Ces groupes sont eux6 mêmes divisés en deux grandes catégories se basant sur le principe général de la méthode utilisée pour calculer la position; i.e., la triangulation et l’analyse des alentours. Toutes ces techniques ont été mises au point pour la localisation dans les milieux externes. Le développement de la radiolocalisation dans les milieux internes et confinés a nécessité des adaptations des concepts pour mieux couvrir ]es nouvelles · contraintes. Il faut quand même noter que l’implantation et la performance de ces systèmes dans les milieux internes ne sont pas toujours possibles, et quand cela a lieu les résultats ne sont pas comparables à ceux des milieux ouverts.

Délai du signal reçu TOA

Une autre technique de localisation par latération et utilisant la triangulation permet d’estimer une position grâce à l’information temporelle tirée du signal. Cette technique est 1 ‘une des plus précises. Elle est sûrement plus efficace que la technique basée sur la puissance du signal reçu. Par contre, elle est plus compliquée sur tous les niveaux ; elle demande des additions aux infrastructures existantes et nécessite une puissance calculatoire plus grande et des algorithmes de localisation plus compliqués. Basée sur le temps, elle exige une synchronisation complète entre les différents composants du réseau. Un signal reçu contient une information sur le moment de transmission. Cette information sera utilisée par le récepteur pour calculer la durée du trajet traversé par le signal. La synchronisation entre le transmetteur et le récepteur joue un rôle essentiel, parce que c’est en calculant la différence entre le temps de transmission (fourni par la station de transmission) et celui de la réception (le temps interne du récepteur) qu’on obtient la durée du trajet. Une fois la durée calculée en considérant que tous les signaux électromagnétiques se propagent à la vitesse absolue, une distance pourra être estimée : d = c*t. (2.9) Cette distance représente le rayon d’un cercle centré sur la station de transmission. Comme précédemment, en combinant si possible les régions couvertes par trois stations différentes (la triangulation), un point d’intersection représentant la position sera calculable. Une fois les approximations des distances séparant l’utilisateur des trois stations de base sont faites, le calcul des coordonnées se fait exactement de la même manière que dans le cas de localisation par perte de puissance.

La performance de cette technique dans les milieux externes ouverts est excellente, 1 ‘erreur ne dépassant pas les 5 mètres pour un trajet allant jusqu’à quelques kilomètres. Cependant, en milieu urbain où les obstacles se trouvent le long du trajet, la performance diminue considérablement, de même que dans les milieux internes confinés où les obstacles et les trajets multiples, sont les premières sources d’erreur. Dans le cas des trajets multiples il se peut que le signal reçu- le plus fort- ne soit pas celui du trajet direct, comme il se peut que le signal soit une version retardée d’une transmission antérieure. Différentes mesures au niveau matériel (hardware) aussi bien que logiciel (software) sont utilisées pour surmonter de tels problèmes. Par exemple le récepteur est chargé d’un système pour minimiser les cas de réception du faux signal et pour décider quel signal est bon. De plus, les informations contenues dans le signal peuvent comprendre un numéro identificateur de la transmission qui permet au récepteur de vérifier le signal utilisable pour la localisation. Toutefois, cela exige une grande puissance calculatoire et un niveau d’intelligence plus élevé que dans le cas de RSS.

S’ajoute à cela le grand inconvénient de la synchronisation de tous les composants par ajout d’horloges dans le réseau et qui peuvent être coûteuses. Un moyen d’éliminer le besoin de synchronisation est l’utilisation d’une transmission duplex; le transmetteur (ou le récepteur) envoie un message et attend son retour en considérant que le signal a fait deux fois le trajet. Puisque c’est la même station qui envoie le signal et le localise, elle n’aura pas besoin de synchronisation. Mais il faut savoir le délai de traitement introduit par 1′ autre station (ce délai peut être retourné avec le signal). Il faut noter que dans ce cas toute erreur introduite par les phénomènes ayant lieu sur le trajet du signal sera double puisque le signal fait l’allerretour du trajet (mais il faut tenir compte du fait ou le comportement du signal n’est pas forcément le même à l’allée et au retour). En dépit de tous ses inconvénients, la localisation par « délai du signal reçu » trouve un grand nombre d’adeptes surtout pour des réseaux ayant l’infrastructure nécessaire pour un bon fonctionnement (synchronisation, puissance de processeur … ), et dans les zones à faible densité.

Table des matières

LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES NOTATIONS
CHAPITRE 1 INTRODUCTION À LA THÈSE
CHAPITRE 2 LA LOCALISATION
2.1 L’HISTORIQUE DE LA RADIOLOCALISATION
2.1.1 Une vue dans l’histoire
2.1.2 La radiolocalisation au sens propre
2.2 TECHNIQUES DE LOCALISATION PAR TRIANGULATION
2.2.1 Latération
2.2.1.1 Puissance du signal reçu
2.2.1.2 Délai du signal reçu TOA
2.2.1.3 Différence de délai du signal reçu TDOA
2.2.2 Localisation basée sur le GPS
2.2.3 Angulation AOA
2.3 TECHNIQUE BASÉE SUR LES EMPREINTES
2.4 UN DERNIER POINT
2.5 EXEMPLES PRATIQUES DES SYSTÈMES DE LOCALISATION
2.5.1 Critères des systèmes
2.5.2 Quelques systèmes
2.5.2.1 Active badge
2.5.2.2 Active bat
2.5.2.3 CRIKET
2.5.2.4 MOTIONSTAR TRACKER
2.5.2.5 RADAR
2.5 .2.6 GPS
CHAPITRE 3 TECHNOLOGIE UWB ET SA PRÉSENCE DANS LA LOCALISATION
3.1 DÉFINITION ET IDENTIFICATION DE L ‘UWB
3.2 LES TECHNIQUES DE L’UWB
3.2.1 IR UWB 0
3.2.2 UWB avec Mufti-porteuse
3.3 UWB DANS LA LOCALISATION
3.3.1 Les raisons d’être
3.3.2 Les techniques de localisation supportées par UWB
CHAPITRE 4 SYSTÈME DE LOCALISATION
4.1 JUSTIFICATION DU CHOIX DU SYSTÈME
4.1.1 L’inefficacité des autres techniques
4.1 .2 La localisation par signature
4.2 LA SIGNATURE PROPOSÉE
4.2.1 UWB comme medium physique
4.2.2 L’empreinte utilisée
4.3 L’ALGORITHME DE JUMELAGE
4.3.1 Pourquoi les réseaux de neurones
4.3.2 Le type de réseau de neurones
4.4 PARTIE DE TRAVAIL PROPOSÉE MAIS NON EFFECTUÉE
4. 4.1 Localisation par secteur
4.4.2 Algorithme de correction d’erreur
CHAPITRE 5 MONTAGE DU SYSTÈME ET MESURE EFFECTUÉE
5.1 SYSTÈMEDEMESUREPOUR UWB
5.1.1 Domaine temporel
5.1.2 Domaine fréquentiel
5.2 LE SYSTÈME DE MESURE PROPOSÉ
5.3 LES CAMPAGNES DE MESURES
5.3.1 L’environnementde mesure
5.3.2 Les campagnes de mesure
CHAPITRE 6 ANALYSE DES RÉSULTATS
6.1 APERÇU
6.2 LES COMPOSANTES DE L’EMPREINTE
6.3 R ÉSULTATS DE LOCALISATION DE LA PREMIÈRE CAMPAGNE LOS 1
6.3.1 Avec les réseaux MLP
6.3.2 Avec les réseaux GRNN
6.4 RÉSULTATSDE LOCALISATIONDELASECONDECAMPAGNELOS 2
6.4.1 Avec les réseaux MLP
6.4.2 Avec les réseaux GRNN
6.5 RÉSULTATS DE LOCALISATION DE LA TROISIÈME CAMPAGNE NLOS
6. 5.1 Avec les réseaux MLP
6.5.2 Avec les réseaux GRNN
6.6 CONCLUSION
CHAPITRE 7 CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES

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