Localisation des personnes et objets mobiles

Localisation des personnes et objets mobiles

Avec le développement des réseaux mobiles, un marché de Location Based Services (LBS) [3] a fait son apparition. Ces services fournissent des informations qui dépendent de la position de l’utilisateur, telles que les observations ou prévisions météorologiques, le trafic routier, etc. La particularité des LBS est que l’utilisateur mobile est automatiquement localisé et n’a pas besoin d’indiquer lui‐même sa position. Une forte activité de recherche sur les méthodes de localisation s’est alors développée, l’objectif étant de fournir une bonne précision de localisation afin d’assurer une bonne qualité de ces services. La localisation d’un objet ou d’une personne revient à trouver sa position dans un espace de coordonnées cartésiennes, ou simplement situer le mobile dans un environnement défini (une rue, une pièce ou un étage par exemple) ; le choix dépend des applications visées et des techniques de localisation utilisées. De nombreuses solutions pour la localisation des personnes (et objets) ont été proposées. Elles devaient répondre à des exigences de coût, de complexité et de précision. La plus connue des solutions est l’utilisation des récepteurs GPS. La précision de 10 à 20 mètres qu’offre le GPS dans les milieux dégagés a permis un large déploiement des services de localisation en extérieur (l’aide à la navigation ou recherche d’itinéraire). Cependant, l’extension de ces services en intérieur reste limitée à cause de la faible précision des méthodes de localisation dans ces environnements. Afin de se libérer des limitations du système GPS dans les environnements urbains denses ou intérieurs, des solutions reposant sur des capteurs ou des réseaux sans fils ont fait leur apparition ; nous allons en présenter quelques exemples. Des études de géophysique ont montré que l’intensité  et la direction du champ magnétique terrestre dépendent de l’endroit où l’on se trouve. Cette propriété a été reprise en géolocalisation pour caractériser chaque position par l’amplitude de ce champ magnétique. Une telle approche consiste à enregistrer une « carte magnétique » de la zone étudiée, associant chaque position à l’intensité du champ mesurée. Un mobile souhaitant se localiser mesure, à l’aide d’un magnétomètre, l’intensité du champ magnétique, qui est comparée aux enregistrements pour déduire sa position [4, 5]. L’utilisation de cette technique de localisation à l’intérieur des bâtiments reste limitée par les fluctuations du champ magnétique dues aux systèmes électriques, appareils électroniques, matériaux de la structure des bâtiments, etc. L’estimation de la position par une double intégration de l’accélération peut aussi être envisagée comme solution de localisation. Ceci est possible si le mobile à localiser est en déplacement et possède donc une accélération. À partir des accélérations mesurées sur trois axes par des accéléromètres [6] une localisation en trois dimensions est possible. La précision de la localisation est néanmoins limitée par le bruit sur la mesure de l’accélération. La possibilité de localisation par capteurs infrarouges et ultrasonores a aussi été explorée [7, 8]. Dans le cas de l’infrarouge, un badge porté par l’utilisateur émet périodiquement un signal qui est reçu par des capteurs installés à des positions connues. Ce signal permet de repérer la position de l’utilisateur par rapport à un point fixe. Dans le cas des ultrasons, le mobile peut aussi estimer sa position à partir du temps de propagation d’un signal provenant d’émetteurs ultrasonores dont les positions sont connues. Grâce à la courte portée des signaux infrarouges et ultrasonores, ces solutions offrent une précision de localisation acceptable. Cependant, leur utilisation ne peut être envisagée pour une large couverture en raison du coût d’installation d’un réseau de capteurs. Enfin, la connaissance visuelle de l’environnement est également une piste pour la localisation des mobiles. Des images [9] sont enregistrées pour caractériser l’environnement des positions connues. L’image enregistrée par le mobile à localiser est ensuite comparée à l’ensemble des images préalablement enregistrées afin de prédire sa position. Les ondes radio échangées sur des réseaux Radio Frequency Identification (RFID), Bluetooth, Zigbee ont fait l’objet de nombreuses études. Nous discuterons ces techniques de manière détaillée dans la section 1.2.2. Malgré la bonne précision de telles méthodes, l’installation d’un réseau de capteurs dédié à la localisation reste nécessaire. Cet inconvénient peut être contourné en mettant à profit les ondes radio des réseaux existants. En effet, un réseau déjà installé, entretenu et largement utilisé, tel que WLAN ou GSM, constitue l’infrastructure adéquate et la moins coûteuse pour les techniques de localisation. Dans ce mémoire, nous proposons de nouvelles méthodes de localisation fondées sur la réception de ces ondes en l’absence d’informations exogènes telles que la cartographie, la vitesse ou la direction de déplacement du récepteur. Dans la suite de ce chapitre, une première partie est consacrée au principe de fonctionnement du système GPS adopté pour la localisation extérieure : nous mettons en évidence les principales raisons pour lesquelles cette technologie est inadaptée à la localisation en intérieur. Une seconde partie traite les méthodes fondées sur les ondes radio, utilisées dans le cadre de la thèse, pour la localisation en intérieur. Selon la technique utilisée pour déduire la position à partir des ondes, on distingue trois catégories : localisation par proximité, localisation par calcul de distance, ou localisation par fingerprints. Le principe de chacune de ces catégories est décrit dans cette seconde partie.

Méthodes de localisation

Localisation par satellites

Le système de localisation par satellite le plus répandu est sans doute le Global Positioning System (GPS). Développé et entretenu par le Department of Defense (DoD) américain à des fins militaires, le GPS est également utilisé pour des  applications civiles : aide à la navigation, gestion du trafic, localisation des téléphones portables dans des milieux dégagés, etc. Une autre application intéressante mais moins connue de ce système est la synchronisation en temps grâce aux horloges atomiques de grande précision embarquées dans les satellites. Le système GPS est constitué de trois « secteurs ».
➤ Le secteur « spatial » : il est constitué d’une constellation de 24 satellites, situés à une altitude de 20 000 kilomètres, en mouvement sur six plans orbitaux inclinés de 55 degrés par rapport à l’équateur. Cette architecture assure qu’au moins quatre satellites sont visibles à tout instant en tout point du globe terrestre : c’est le nombre minimal de satellites nécessaire pour une bonne précision de localisation en trois dimensions (latitude, longitude et altitude). En pratique, le nombre de satellites visibles peut atteindre dix.
➤ Le secteur « au sol » permet le contrôle des satellites ; il est constitué d’une station principale située à Colorado Springs et de quatre stations de contrôle situées à Hawaii, Ascencion, Diego Garcia et Kwajalein. Ces stations effectuent des enregistrements continus des signaux GPS, et des mesures météorologiques. Ces données sont traitées par la station principale pour le calcul des paramètres qui constituent les signaux de navigation pour chaque satellite. Ces messages de navigation (définis ci‐dessous) sont ensuite transmis au satellite en question.
➤ Pendant l’exploitation du GPS, ces messages de navigation, appelés aussi éphémérides, sont envoyés par les satellites au secteur « utilisateur » qui est constitué de l’ensemble des récepteurs GPS civils et militaires. Cet échange se fait sur les fréquences L1 = 1575.42 MHz et L2 = 1227.6 MHz, qui ont été choisies pour compenser les effets atmosphériques sur l’onde électromagnétique. Cependant, l’effet Doppler dû au mouvement des récepteurs par rapport aux satellites nécessite une phase de synchronisation afin de décoder les messages de navigation. Ce temps de synchronisation est appelé Time To First Fix (TTFF).

Les messages de navigation sont des signaux à spectre étalé par des codes pseudo‐ aléatoires. Cette technique permet d’envoyer des messages simultanément sur la même bande de fréquence. Chaque message est identifié grâce au code pseudo aléatoire qui le module. Deux types de codes existent, le code C/A ou Coarse/Acquisition code pour lesapplications civiles et le code P ou Precision code  pour les applications militaires. Cet étalement du spectre assure également une protection contre le bruit et le brouillage, et permet au système de fonctionner avec des niveaux de puissances très bas, de l’ordre de ‐160 dBW.

Le message de navigation de chaque satellite contient :
‐ les éléments képlériens qui permettent de définir sa position dans un repère terrestre à l’instant de l’observation,
‐ les coefficients du modèle ionosphérique permettant de corriger l’effet de l’ionosphère sur les signaux envoyés par le satellite,
‐ l’état de santé du satellite,
‐ un modèle polynomial qui caractérise le fonctionnement de l’horloge,
‐ l’écart entre le temps GPS et le temps universel coordonné de l’US Naval Observatory,
‐ les codes C/A (pour la fréquence L1) et un code P (pour les fréquences L1 et L2). Pour le calcul de sa position, le récepteur GPS met en œuvre la méthode du temps d’arrivée du signal, qui consiste à calculer la position d’un point en trois dimensions à partir des distances qui le séparent d’un certain nombre de satellites dont les positions sont connues. Ces distances sont calculées à partir du temps de propagation du signal entre les satellites et le récepteur GPS. Ce temps de propagation est estimé en générant une réplique du code C/A (ou P) au niveau du récepteur et en retardant cette réplique jusqu’à l’alignement entre le code reçu et le code généré.

La propagation des signaux transmis par les satellites à travers les différentes couches de l’atmosphère terrestre est la principale source d’erreur dans le système GPS. Par exemple, l’erreur sur les pseudo‐distances causée par la traversée de l’ionosphère est estimée à environ 20 mètres. La deuxième couche atmosphérique qui affecte le signal GPS est la troposphère. L’erreur occasionnée par cette dernière est difficilement prédictible à cause des différentes conditions climatiques.

Un autre élément important qui affecte la précision de localisation par le GPS est la géométrie de la constellation des satellites impliqués dans le calcul des pseudo‐distances. La Dilution of Precision (DOP) est un paramètre contenu dans les messages de navigation et représente un indicateur de la géométrie. Il est déduit de la connaissance de la constellation des satellites. Une faible valeur du DOP indique une bonne précision de localisation. La valeur du DOP varie dans le temps à cause des changements de la géométrie des satellites engendrés par les déplacements le long de leurs plans orbitaux. L’effet de masque causé par les obstacles rencontrés par le signal satellitaire, les trajets multiples dus aux réflexions des ondes pendant leur propagation et qui produisent un évanouissement au niveau du récepteur, constituent également des sources d’erreur sur le calcul des pseudo‐distances. Ces aléas de propagation sont plus sévères quand le récepteur GPS est en milieu urbain dense ou à l’intérieur des bâtiments. Cette source d’erreur dégrade considérablement la précision du GPS. La non‐visibilité entre le récepteur GPS et les satellites dans ce type d’environnement influe également sur la vitesse d’acquisition des messages de navigation nécessaires pour le calcul de la position. Afin de minimiser l’impact de ces phénomènes, une variante du GPS, appelée Differential‐ GPS [12] a été proposée. Elle consiste à corriger la position du récepteur GPS mobile à partir de mesures effectuées par un récepteur de référence dont la position est connue.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Localisation des personnes et objets mobiles
1.1 . Introduction
1.2 . Méthodes de localisation
1.2.1. Localisation par satellites
1.2.2. Localisation par ondes radio
1.3 . Conclusion
Chapitre 2. Étude des signaux GSM
2.1 . Introduction
2.2 . Le réseau GSM
2.2.1. Architecture du réseau GSM
2.2.2. L’interface radio du réseau GSM
2.2.3. Procédures de rattachement au réseau GSM.
2.3 . Dispositifs de mesure
2.3.1. Le mobile à trace TEMS
2.3.2. Le modem Télit
2.4 . Étude du spectre GSM obtenu avec un appareil de mesure
2.5 . Comparaison des différents appareils de mesure
2.6 . Conclusion
Chapitre 3. Objectifs et méthodes
3.1 . Introduction
3.2 . Acquisition des données
3.2.1. La base Home
3.2.2. La base Lab
3.2.3. La base Minipegs
3.3 . Sélection de porteuses GSM
3.3.1. Sélection sur le critère de puissance
3.3.2. Sélection sur le critère de pertinence
3.4 . Construction et sélection du modèle
3.4.1. Les K‐plus proches voisins (K‐PPV)
3.4.2. L’analyse discriminante linéaire
3.4.3. Les machines à vecteurs supports
3.4.4. Les machines à vecteurs supports transductives
3.5 . Règle de décision
3.6 . Conclusion
Chapitre 4. Résultats et discussions
4.1 . Introduction
4.2 . Résultats de localisation sur les bases Home et Lab
4.2.1. Résultats de la validation croisée
4.2.2. Étude des porteuses pertinentes retenues
4.2.3. Résultats de test global
4.3 . Performance de localisation et variabilité temporelle
4.4 . Performances de localisation et variabilité entre dispositifs de mesure
4.5 . Localisation par des classifieurs conçus par apprentissage semi‐supervisé
4.6 . Conclusion
Conclusion générale

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