Département EPH

Géo-localisation de cibles mobiles en environnement contraint par approche hybrides : inertielle et radio

Après plus de dix ans de travaux académiques et industriels dans le domaine du positionnement et de la localisation en intérieur, afin de fournir une réelle continuité du service de positionnement assuré par le GPS en extérieur, une constatation s’impose : la maturité n’est toujours pas au rendez-vous !

L’histoire commence lorsque, dans le cadre du programme Européen Galileo, l’idée des « éléments locaux » est mise en avant. Il s’agit d’être meilleur que le futur concurrent Américain GPS en concevant dès le départ l’ensemble des solutions techniques nécessaires à la fourniture d’un vrai service du 21^ème siècle : transparence pour l’utilisateur, fonctionnement simple et intuitif, performances et bien sûr continuité dans tous les environnements pour le citoyen moderne et son téléphone portable.

Les technologies vont alors se succéder : l’UWB sera le premier candidat élu, au début des années 2000. Puis, après le constat de la difficulté d’être véritablement considéré au niveau d’un « GPS d’intérieur », c’est l’Assisted-GPS qui va prendre le relai, entre 2003 et 2007. C’est à cette époque que l’ensemble des acteurs prend véritablement la mesure de l’effort nécessaire. En particulier, « la solution » n’est plus décrite comme imminente et des travaux dans de nombreuses directions regagnent d’intérêt. Des acteurs industriels, souvent de petites structures, proposent alors des solutions techniques diverses. Mais le marché tarde à se développer, sans doute à cause de la complexité et la diversité des environnements possibles : « on » espère toujours une réponse à coût quasi nul (comme le GPS …). Les approches poussées actuellement tournent principalement, pour ce qui est des solutions commerciales, autour de l’utilisation de WiFi.

Les difficultés inhérentes de ce champ thématique sont liées d’une part aux grandes capacités de navigation offertes au piéton contrairement à un véhicule terrestre, et d’autre part, aux contraintes fortes associées à l’embarquabilité et à la restitution en temps réel de l’information à l’utilisateur. Une autre difficulté majeure réside dans la très grande diversité des environnements potentiels : certains pourraient être « instrumentés » alors que c’est impossible dans d’autres. Certains sont de dimensions et de formes telles que des techniques de positionnement relatives sont potentiellement très performantes (couloirs ou zones contraintes) alors pour d’autres un positionnement absolu semble être incontournable (halls, zones d’orientation de grande dimension ou encore enceinte d’exposition ou sportive). Ainsi, nous pensons que la fusion de techniques permettant la prise en compte de cette diversité d’environnements est une des clés du succès d’un futur système de positionnement indoor réellement efficace. Pour ce faire, nous proposons de développer une approche multimodale valable autant en intérieur qu’à l’extérieur : le système ainsi obtenu devient alors véritablement « global » au sens des Global Navigation Satellite Systems (GNSS).

Le sujet de recherche proposé dans le cadre de cette thèse est le fruit de la collaboration entre Télecom SudParis et le CEA list. Ces deux acteurs académiques ont adopté des approches différentes pour aborder la problématique de la géo-localisation.

- Approche inertielle : le Laboratoire des Interfaces Sensorielles et Ambiantes (LISA) du CEA List a développé une approche pour reconstruire la trajectoire du mouvement du piéton à partir de mesures d’accélération et de vitesse de rotation issues d’un système de navigation inertielle embraqué par le piéton. L’originalité de l’approche adoptée par rapport à celles présentes dans la littérature de référence [1, 2, 3, 4, 5, 6], est la manière avec laquelle nous exploitons la connaissance a priori de l’emplacement de la centrale inertielle et de la cartographie des lieux. En effet, inspirés de la mise à jour de la vitesse égale zéro  (ZUPT) [6], lors de la pose du pied par terre, nous avons défini des pseudo-mesures d’attitude et de position afin d’exploiter cette connaissance de manière efficiente.

- Approche GNSS : le Groupe Navigation de Telecom SudParis travaille depuis plusieurs années sur des systèmes de positionnement en intérieur utilisant les signaux des constellations de satellites de navigation (GNSS). En effet, les terminaux mobiles modernes intègrent ou intégrerons à court terme tous un récepteur GNSS. Afin de permettre un fonctionnement dans tous les types d’environnements, les approches développées reposent sur le déploiement local d’une infrastructure dédiée. Cette dernière est relativement légère à mettre en place et réduite (typiquement une dizaine d’émetteurs pour un bâtiment de 40mx40m sur quatre étages). L’idée de base est alors de procéder à des mesures de temps de parcours du signal des émetteurs au récepteur afin de mener un calcul de multi-latération. Les points durs sont la gestion des trajets multiples ainsi que les effets d’éblouissement radio. Ces deux difficultés ont fait l’objet de travaux de fond [7] [8].

Les technologies développées par Télecom SudParis et le CEA list sont tout à fait pertinentes prises séparément mais ont chacune des limites ou des contraintes. Nous proposons dans le cadre de cette thèse d'exploiter les complémentarités de ces  technologies afin d’adresser la problématique de géo-localisation en intérieur et extérieur. L'intérêt de l'approche proposée et de tirer profit de la force de chaque approche développée en proposant une architecture matérielle en mesure de s’adapter au contexte de l’étude à adresser (intérieur, extérieur et transitions).

Ce projet de recherche, de par son caractère pluridisciplinaire et les applications visées, propose une véritable alternative aux travaux actuels en proposant une approche novatrice pour la localisation et géo-localisation de cibles mobiles en environnement contraint.

De formation universitaire ou grande école, de profil télécommunication, électronique et traitement du signal titulaire d’un mastère recherche. Vous procédez une bonne autonomie et un goût prononcé pour les développements technologiques et la recherche scientifique.  Vous maîtrisez les outils classiques de calcul mathématique et de simulation numérique (Matlab, C++,  Labview).

Le financement accordé à cette thèse est de trois ans. Une allocation variable sera allouée à hauteur de  2045 € brut en 1^ère et 2^ème années et de  2105 € brut en 3 ^ème année.    

M. Nel Samama

Département Electronique et Physique

Tél : 01 60 76 46 50 - Nel.Samama@it-sudparis.eu

M. Mehdi Boukallel

Laboratoire des Interfaces Sensorielles et Ambiantes

Tél : 01 46 54 70 82 – mehdi.boukallel@cea.fr

[1] Daniela Büchel and Pierre-Yves Gilliéron, Navigation pédestre à l’intérieur des bâtiments, Géomatique Suisse 11/2004 (2004), 664 – 668.

[2] D. H. Titterton and L. J. Weston, Strapdown inertial navigation technology, Institution of Engineering and Technology, 2004.

[3] B. Krach and P. Roberston, Cascaded estimation architecture for integration of foot-mounted inertial sensors, Proc. IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium, 2008, pp. 112–119.

[4] E. Foxlin, Inertial head-tracker sensor fusion by a complementary separate-bias kalman filter, Proc. Virtual Reality Annual International Symposium the IEEE 1996, 1996, pp. 185–194, 267.

[5] Widyawan, M. Klepal, and S. Beauregard, A backtracking particle filter for fusing building plans with pdr displacement estimates, Proc. 5^th Workshop on Positioning, Navigation and Communication WPNC 2008, 27–27 March 2008, pp. 207–212.

[6] Young Soo Suh and Sangkyung Park, Pedestrian inertial navigation with gait phase detection assisted zero velocity updating, Proc. 4th International Conference on Autonomous Robots and Agents ICARA 2009, 2009, pp. 336–341.

[7] Nabil Jardak, Nel Samama, "Short Multipath Insensitive Code Loop Discriminator", IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, January 2010, Vol. 46, PP.278-295.

[8] A. Vervisch-Picois, N. Samama, "Interference Mitigation In A Repeater And Pseudolite Indoor Positioning System", IEEE Journal of Specific Topics on Signal Processing, October 2009, Vol. 3, N°5, PP.810-820.

Posté le avril 28, 2011