Généralités sur les systèmes de localisation existants

Pendant longtemps, la localisation était utilisée par les professionnels comme les marins qui avaient besoin de connaître leur position absolue régulièrement. De nos jours, ces utilisateurs se trouvent généralement dans des espaces où la continuité de service fournie par les systèmes de navigation satellitaires est importante. L’avantage de ces systèmes de localisation est majeur pour le suivi d’objets sur un vaste territoire. Beaucoup d’applications sont ainsi nées ces dernières années en logistique, dans la protection contre les vols, le suivi des marchandises et des conteneurs, le suivi des véhicules…

La liste des applications est très large et de nouveaux besoins apparaissent régulièrement ces dernières années. On peut citer comme exemples les applications de sécurité liée aux personnes et la protection des personnes à risques comme les enfants et les personnes âgées, les systèmes d’aide à la mobilité pour les malvoyants, la surveillance de personnes dans le milieu carcéral et également la localisation de mobiles ou de colis dans des entrepôts. Dans le domaine de la robotique en milieu industriel, la localisation permet de guider les robots dans des endroits difficilement accessibles ou contaminés pour exécuter différentes tâches.

Aujourd’hui, de nombreuses applications grand public sont également apparues comme la localisation/navigation de son propre véhicule en ville, des services de guidage de porte à porte exploitant tous les modes de transports publics accessibles ou encore la localisation d’une personne dans un bâtiment. Certaines de ces dernières applications s’effectuent dans des environnements moins favorables aux techniques satellitaires. Afin d’exploiter à moindre coût l’infrastructure de réseaux préexistants et déjà massivement déployés, un autre mode de radiolocalisation est apparu depuis quelques années sur les réseaux de radiotéléphonie cellulaire. Il exploite les données transitant sur les réseaux de téléphonie mobile afin de localiser les mobiles. Enfin, encore plus récemment, de nombreuses techniques de radiolocalisation sont apparues pour la localisation en interne « indoor ». Comme pour les réseaux sans fil, la grande majorité des systèmes envisagés exploite l’infrastructure de réseaux de communication préexistants.

Les systèmes de localisation en espace libre 

Il existe trois approches utilisées pour localiser et/ou positionner des objets mobiles en espace libre :

➤ les systèmes de navigation par satellites : l’objet mobile se localise à l’aide de signaux émis et reçus en provenance de constellations de satellites et la détermination de pseudo distances vis-à-vis de plusieurs de ces satellites. L’utilisateur exploite un récepteur approprié [1].
➤ les systèmes exploitant les techniques de radiotéléphonie numériques fondées sur les réseaux cellulaires (ou solutions terrestres) ou les réseaux sans fil (WiFi….) : l’objet mobile est localisé à l’aide des signaux qu’il transmet au réseau (2G, 3G, WiFi, RFID…) ou détermine sa position à l’aide des signaux reçus depuis les stations de base ou des points d’accès de ce réseau [1].

Une troisième approche nommée méthodes hybrides ou coopératives associe les réseaux sans fil terrestres et satellitaires [1].

Le système de navigation par satellites 

L’intérêt majeur d’un système de navigation par satellites par rapport aux autres techniques de localisation vient du fait que sa couverture est très large, sans que l’opérateur n’ait d’infrastructure terrestre étendue à entretenir, et que le coût des récepteurs s’avère limité. Il est cependant nécessaire de développer une infrastructure associée performante pour le contrôle des systèmes satellitaires et terrestres nécessaires. Il existe actuellement plusieurs services mondiaux de localisation par satellites opérationnels, ou en phase de construction, ayant pour objectif principal d’assurer une couverture globale à l’échelle de la terre et dont les domaines d’applications sont très étendus.

GPS est le système de localisation par satellites probablement le plus connu. Il a été conçu au début des années 1970 par le Département de la Défense des États-Unis. Son suivi est également assuré par ce dernier [2]. La localisation GPS s’appuie sur le principe de triangulation. Un récepteur, installé sur un véhicule, mesure le temps de propagation du signal du satellite jusqu’à sa position. Il en déduit la distance « d » le séparant du satellite. Connaissant la position X, Y, Z du satellite au moment de l’émission dans un espace à 3 dimensions, l’ensemble des points possibles où pourrait se situer le récepteur GPS est la sphère dont le centre est le satellite et dont le rayon est la distance « d ». En procédant de même avec un deuxième satellite, on calcule l’intersection des deux sphères. Celle-ci forme un cercle qui représente l’ensemble des positions que peut prendre le récepteur GPS. Un troisième satellite réduit les positions possibles à deux points. Si l’utilisateur se situe à la surface de la Terre, seul un des 2 points est cohérent. Le récepteur détermine ainsi sa position en éliminant le point incohérent [3].

Le système de radiotéléphonie cellulaire

La localisation par identification de cellule (appelée aussi Cell-ID) utilise le réseau de radiotéléphonie cellulaire dont le fonctionnement continue d’être assuré le plus souvent à l’intérieur des bâtiments : dans les bâtiments, les entrepôts, les tunnels (dont certains sont désormais équipés de systèmes de retransmission de radiotéléphonie cellulaire) et souvent les parkings.

D’autres méthodes, basées sur la mesure du temps de vol du signal, sont aussi développées. Citons notamment :
➤ La méthode E-OTD (Enhanced – Observed Time Difference) développée initialement par Cambridge Positioning Systems. Elle opère dans les réseaux GSM et GPRS. Le téléphone mobile envoie un signal aux stations de base se situant à proximité de celuici. La station la plus proche renvoie un signal réponse analysé par un serveur dédié pour déterminer la position du mobile dans la zone couverte par la station de base.
➤ La méthode O-TDOA (Observed Time Difference of Arrival) nécessite la réception au niveau de l’objet mobile des signaux provenant d’au moins trois stations de base. La position de l’objet mobile est donnée par l’intersection d’au moins deux hyperboles résultant de la différence des retards des signaux, provenant des stations de base prises par deux.
➤ La méthode U-TDOA (Uplink Time Difference of Arrival), développée par TruePosition [1], compare les temps d’arrivée au niveau des stations de base des signaux transmis par l’objet mobile. Aucune modification n’est nécessaire au niveau de l’équipement mobile. La précision de la méthode dépend du nombre de stations de base disponibles et de leur densité.

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Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 : Etat de l’art sur les techniques de localisation pour les transports guidés
1. 1 Introduction
1. 2 Généralités sur les systèmes de localisation existants
1. 2. 1 Les systèmes de localisation en espace libre
1. 3 Techniques de communication/localisation dans les transports guidés
1. 3. 1 Les exigences en transports guidés
1. 3. 2 Le système des balises KVB
1. 3. 3 Le système ERTMS
1. 3 Contraintes et défaillances
1. 4 Système ULB-RT proposé et étudié dans ce travail de thèse
1. 5 Conclusion
Chapitre 2 : Introduction aux systèmes ULB-RT
2.1. Introduction
2.2. La technologie Ultra Large Bande (ULB)
2. 2. 1 Définition de l’ULB
2. 2. 2 Évolution historique
2. 2. 3 Principales caractéristiques de l’ULB
2. 2. 4 Approches ULB
2. 2. 7 Réglementation de la technique ULB en transport routier et ferroviaire
2.3. La technique de retournement temporel
2. 3. 1 Historique et applications de la technique du RT
2. 3. 2 RT appliqué aux ondes électromagnétiques
2. 3. 3 Les caractéristiques du RT
2.4. Métriques et algorithmes de localisation associés
2. 4. 1 Métrique basée sur les différences de temps d’arrivée (TDOA)
2.5. Systèmes d’émission radio impulsionnelle RI-ULB
2. 5. 1 Emetteurs RI-ULB
2. 5. 2 Formes d’ondes RI-ULB
2. 5. 3 Les différents types de modulation RI-ULB
2. 5. 4 Techniques d’accès multiple pour l’ULB impulsionnel
2. 6 Modélisation du canal de propagation radio ULB
2. 6. 1 Paramètres caractéristiques d’un canal de propagation radio
2. 6. 2 Techniques de modélisation d’un canal de propagation radio
2. 6. 3 Modélisation du canal de propagation dans le contexte ULB
2. 7 Système de réception RI-ULB
2. 8 Conclusion
Chapitre 3 : Étude théorique et évaluation par simulation du système de localisation ULB-RT proposé
3. 1 Introduction
3. 2 Évaluation des caractéristiques du RT en contexte ULB
3. 2. 1 Principe de l’étude
3. 2. 2 Paramètres d’entrée et modèles de canaux utilisés
3. 2. 3 Approche analytique et simulations
3. 3 Évaluation des caractéristiques du RT dans une configuration multi-antennes :
Multiple Input Single Output (MISO)
3. 4 Évaluation des performances des systèmes de localisation ULB conventionnel et
ULB-RT
3. 4. 1 Principes et dispositifs en simulation
3. 4. 2 Étude comparative des performances des systèmes de localisation ULB
conventionnel et ULB-RT
3. 4. 3 Impact de la forme d’onde
3. 4. 4 Impact de la fréquence d’échantillonnage
3. 4. 5 Impact de l’erreur de désynchronisation (Timing jitter)
3. 5 Conclusion
Chapitre 4 : Validation expérimentale du système de localisation ULB-RT
4. 1 Introduction
4. 2 Dispositif et paramètres d’expérimentation
4. 2. 1 Description générale
4. 2. 2 Environnement de type chambre anéchoïque
4. 2. 3 Environnement indoor
4. 2. 4 Partie émission
4. 3 Résultats d’expérimentations
4. 3. 1 Validation des caractéristiques du RT
4. 3. 2 Apport du RT au système de localisation ULB
4. 4 Conclusion
Conclusion générale  
Références bibliographiques
Publications et communications scientifiques
Annexes A : Régulation du spectre ULB aux Etats-Unis et en Asie
Annexe B : Retournement Temporel (RT)
Annexe C : Table des figures et Table des tableaux

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