Positionnement indoor à l aide de signaux GNSS

Transcription

1 Positionnement indoor à l aide de signaux GNSS Problématiques et performances Nel SAMAMA Groupe Navigation INSTITUT Mines-Télécom

2 Les nouveaux utilisateurs Omniprésence du GPS

3 Deux domaines assez différents Le grand public et Le monde professionnel Précision moyenne Fiabilité raisonnable 3D temps réel Disponibilité totale Gratuit, comme le GPS! Terminaux grand public Très bonne précision Fiabilité élevée 2D/3D temps réel/différé Infrastructure spécifique possible Investissement potentiel Terminaux dédiés

4 De nombreuses solutions ont été proposées Les nombreuses solutions Cas particulier de l'intérieur Source: Global Positioning, Wiley

5 Les systèmes satellitaires Limitations des GNSS Besoin de 4 satellites Mesures de temps de parcours Niveaux de réception très faibles (-130 dbm) Des difficultés vont ainsi apparaître dès qu'il y aura des atténuations du signal (indoor) qu'il y aura des obstacles (bâtiments, indoor) qu'il y aura des réflexions multiples (ville, indoor)

6 Les solutions GNSS Le positionnement en milieux contraints Développements en cours GNSS Récepteurs Haute Sensibilité (HS-GNSS) Récepteurs Aidés (Assisted-GNSS) GPS Satellites GPS Signal BS1 Assistance data Mobile BS2 rover point (start & end) A-GPS server double brick exterior walls GLONASS, COMPASS et Galileo North (metres) rooms with double brick interior walls Iron roof over ~1.5m entire building Générateurs "locaux" (Pseudolites, Transmetteurs divers) Hybridation East (metres)

7 Les contraintes Navigation Group Brève discussion Beaucoup de critères de classement sont possibles: Infrastructure locale requise ou pas GSM/UMTS, HS-GNSS, A-GNSS, WLAN, Inertiel, etc., Réseaux de capteurs, Pseudolites, Répéteurs, etc. Précision de positionnement 100 m : GSM/UMTS, quelques mètres, voire moins : les autres! Technique GNSS ou pas HS-GNSS, A-GNSS, Pseudolites, Répéteurs, GSM/UMTS, Réseaux de capteurs, WLAN, Inertiel, etc. Cas idéaux : 1/ technique GNSS sans infrastructure locale! 2/ pas d infrastructure locale additionnelle! avec une précision métrique.

8 Un rapide classement des approches développées Approches GNSS Indoor Sans infrastructure spécifique nouvelle le GPS haute sensibilité l Assisted GPS les solutions hybrides Avec une infrastructure à déployer «localement» les Pseudolites les Transmetteurs

9 Approches GNSS Indoor Navigation Group Les Pseudolites Pseudolite 1 Pseudolite 2 Pseudolite 4 Pseudolite 3 Synchronisation Mesures de la porteuse possibles Positionnement dynamique Effet d éblouissement Synchronisation Multi-trajets

10 Approches GNSS Indoor Navigation Group Les Pseudolites SEOUL NATIONAL UNIVERSITY UNSW Sydney North (metres) rover point (start & end) double brick exterior walls rooms with double brick interior walls LOCATA Corp Iron roof over entire building ~1.5m East (metres)

11 Approches GNSS Indoor Navigation Group Les Répéteurs Répéteur 1 Répéteur 2 Répéteur 4 Répéteur 3 Electronique Pas d effet d éblouissement Synchronisation automatique Approche différentielle Mesures de la porteuse presque impossibles Multi-trajets

12 Approches GNSS Indoor Fonctionnement du système «répéteurs» Extérieur Générateur de signaux GNSS X Y Z Intérieur T1 T3 TransmetteurT2 Récepteur X Y Z T4

13 Approches GNSS Indoor Mesures du système «répéteurs» T1 d 1 d 3 T3 ρ(t) - ρ(t-dt) T1 T2 T3 T4 T2 d 2 d 4 T4 Récepteur d 2 -d 1 d 1 -d 4 d 3 -d 2 d 4 -d 3 dt t Temps(t)

14 Approches GNSS Indoor Système «répéteurs» Système actuel

15 Approches GNSS Indoor Navigation Group Simulations de la propagation Zone considérée (35mx60m)

16 Simulations de la propagation Approches GNSS Indoor

17 Choix des positions (transmetteurs et récepteurs) Approches GNSS Indoor

18 Approches GNSS Indoor Navigation Group Expériences réalisées chez Telecom Italia à Turin

19 Approches GNSS Indoor Navigation Group Montage expérimental Antenne de réception intérieure Récepteurs IFEN NavX ( échantillonneur ) NordNav R-30 ( processeur ) Spirent GSS6560 Electronique de cyclage Câbles de connexion Vers les antennes de transmission

20 Expériences réalisées à Telecom SudParis Approches GNSS Indoor

21 Pour des muti-trajets inférieurs à ½ chip (146m), on montre que D = IE + IL 2 QE + QL 2 ( ) IE IL QE QL IE + QE IP + QP = 0 k N = A k 0 k N cos( θ ˆ) θ A k sin( θ ˆ) θ Peut être obtenu avec les corrélateurs classiques E, L et P Avantages Multi-trajets: l approche proposée SMICL: Short Multipath Insensitive Code Loop Ainsi, le discriminateur proposé (SMICL) D = ( ) IE + QE IP A + k cos( θ k ˆ) θ QP Ak sin( θ k ˆ) θ 2 0 k N 2 0 k N Simple: pas besoin de hardware spécifique Temps réel 2 Approches GNSS Indoor Multi-trajets et système «répéteurs» k k 2 2

22 SMICL enveloppes des erreurs (simulations) Approches GNSS Indoor Multi-trajets et système «répéteurs» Code loop tracking error (chip) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0,1 In-phase multipath SMICL Out-of-phase multipath SMICL In-phase multipath NC Out-of-phase multipath NC In-phase multipath SDLL Out-of-phase multipath SDLL -0,2-0,3 0 0,125 0,25 0,375 0,5 0,625 0,75 0, ,125 1,25 1,375 1,5 Multipath relative delay (chips) Récepteur non filtré

23 Approches GNSS Indoor Positionnement «répéteurs» Navigation Group Précision globale tous les environnements confondus SMICL 10MHz 3-4m (80%) Mesures brutes

24 Approches GNSS Indoor Navigation Group Les Répélites Répélite 1 Répélite 2 Répélite 3 Répélite 4 Générateur de signal Signal Generator cable d2 d 3 d 4 PRI k = PR j + cable + Σ uw + d k d 1 Receiver Mesures de la porteuse possibles Synchronisation automatique Positionnement dynamique Effet d éblouissement Multi-trajets

25 Approches GNSS Indoor Le Near-Far dans le système «répélites» Générateur de Séquence maximale Répélite 1 Répélite 2 Répélite i Répélite n Suppression de l éblouissement Principe général la transmission de deux codes retardés et en opposition de phase des traitements spécifiques au niveau du récepteur afin d éliminer les termes d interférence l utilisation d une séquence maximale

26 Approches GNSS Indoor L amélioration de la précision dans le système «répélites» Afin d améliorer la précision du positionnement Approche classique de lissage du code par la porteuse mesures de code non ambigües OK mesures de code "précises" Problème: Le code est trop bruité en intérieur, principalement à cause des travaux multiples SMICL

27 Expériences Le système réalisées à Telecom SudParis Système Approches GNSS Indoor Premiers déploiements du système «répélites» Les répélites Antennes émettrices Le récepteur Récepteur L antenne

28 Approches GNSS Indoor Premiers résultats en positionnement relatif Positionnement Précision bien en relatif: dessous position du mètre initiale en relatif connue

29 Approches GNSS Indoor Premiers résultats en positionnement absolu Positionnement Moyenne des mesures absolu: de position codes sur initiale 10 secondes inconnue Position initiale partiellement résolue

30 Approches GNSS Indoor Navigation Group Commentaires Moyenne des mesures de codes sur 10 secondes Quelques efforts sont encore nécessaires Un potentiel réel mais peut-être mal adapté Entre grand public et professionnel Un atout fort: le développement constant des GNSS Cependant pas de solution «simple» acceptable aujourd hui donc nous poursuivons nos travaux! RV DANS QUELQUES ANNEES

31 En savoir plus?

32 Approche globale des travaux Comportement des récepteurs Satellite PRN 04 Approches GNSS Indoor 30 Transitions ti Répéteurs ri variation pseudodistance (1/5 m /s) 29,5 29 t3 Bruit Sat 5 28,5 2 t1 t2 1, ,5 r1 r2 r3 Cycle 30 secondes 0, temps (secondes) -0,5-1 -1,5-2 Module Outdoor Module Indoor Nouvelles architectures Trajets multiples

33 Montage expérimental Approches GNSS Indoor

34 SMICL enveloppes des erreurs (signaux réels) Approches GNSS Indoor Multi-trajets et système «répéteurs» Courbes d'enveloppe d'erreur pour un trajet réfléchi de puissance -3dB Erreur sur la Pseudo-Distance (mètres) E-L D=1 + E-L D=1 - NC D=0,1 + NC D=0,1 - SMICL + SMICL - 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0, Retard du trajet (chip)

35 Précision brute réelle - Turin Approches GNSS Indoor Positionnement «répéteurs» Tous les points Points filtrés Précision 50% (m) Précision 67% (m) Précision 90% (m) Précision moyenne (m)

36 Précision brute réelle - Evry Approches GNSS Indoor Positionnement «répéteurs» Tous les points Filtrage 5m Filtrage 2m Filtrage 1m Précision 50% (m) Précision 67% (m) Précision 90% (m) Précision moyenne (m)

37 Des approches WLAN «indoor», «réseaux connectés», «Radar et tags actifs», «Ultra Large Bande» qui ne seront pas détaillées

38 Approche WiFi Positionnement WLAN symbolique Définition de zones géographiques en fonction du niveau du signal reçu (RSSI) pour chaque point d accès Calcul par intersections de zones Résultat obtenu symbolique peu précis fiable Adaptable à toutes les configurations AP4 AP3 AP1 Symbolic positioning resulting area AP2 Actual location Calculated location

39 Approche Réseaux Connectés Exploitation de l ensemble des liens radio entre terminaux Définition d un «environnement» de simulation Choix d une densité de nœuds de diverses technologies Graphe géographique estimé et liens Utilisation de diverses «technologies» WiFi, BT, UWB, GSM/UMTS, GPS, Pseudolites, etc

40 Approche Radar et tags actifs Principe du système de localisation en coordonnées polaires en 2D Duplexeur 6-7GHz GHz BPF: filtre passe bande LPF: filtre passe bas

41 t i m e, x 1 0 t i m e, x 1 0 t i m e, x s s s Navigation Group Mesures de distances en TR-UWB Principe de la Time Delayed Sampling & Correlation (TDSC) Envoi d un doublet décalé dans le temps Premiers résultats a) sub-block T D R é fé r e n c e tr a n s m is e b) time, x s c) T Wf correlation 0.8 step 1 f maximumcorrelation d) first 0.8 value higher than threshold I m p u ls io n d in fo r m a tio n C o r r é la tio n V ite s s e d e c o r r é la tio n R é s u lta ts e x p é r im e n ta u x

42 N avigation G roup A l o r s q u e p e n s e r d e l a c o n t i n u i t é d u p o s i t i o n n e m e n t?

43 Q u e l l e s s o l u t i o n s d e r é e l l e c o n t i n u i t é? L e s v r a ie s c o n tr a in te s N avigation G roup P o u r u n d é p l o i e m e n t à g r a n d e é c h e l l e p o u r l e g r a n d p u b l i c p a s d in fr a s tr u c tu r e s p é c ifiq u e ( o u a lo r s tr è s lé g è r e ) p a s d e p r o b lè m e s d u s à l e n v ir o n n e m e n t S e n s ib ilité a u x o b s ta c le s, p r o p a g a tio n, u n e p r é c is io n ty p iq u e m e n t m é tr iq u e u n e «c e r ta in e» fia b ilité d u p o s itio n n e m e n t d e s te c h n o lo g ie s m a tu r e s ( e t s ta n d a r d is é e s ) d e s te c h n o lo g ie s p e u c o û te u s e s à in té g r e r e t à o p é r e r C ô té te r m in a l p r in c ip a le m e n t

44 Q u e l l e s s o l u t i o n s d e r é e l l e c o n t i n u i t é? L e s s o lu tio n s N avigation G roup P o u r u n d é p l o i e m e n t à g r a n d e é c h e l l e p o u r l e g r a n d p u b l i c P a s v r a im e n t d e s o lu tio n q u i s a tis f a s s e l e n s e m b le d e s c r itè r e s U n r é e l b e s o in c la ir e m e n t e x p r im é m a in te n a n t D e tr è s n o m b r e u s e s p is te s te c h n o lo g iq u e s e x p lo r é e s I l s e m b le m a n q u e r l a n a ly s e d u n «s o c le» c o m m u n p o u r q u e le s te c h n o lo g u e s s o r g a n is e n t p o u r tr o u v e r u n e r é p o n s e v a la b le p o u r u n e n s e m b le d a p p lic a tio n s e t d e s e r v ic e s m in im a l

45 N avigation G roup N o t r e p r o p o s i t i o n d e c o n t i n u i t é g l o b a l e C E A -L I S T /L I S A & I M T /G r o u p e N a v ig a tio n L e s te c h n iq u e s r e te n u e s p o u r l e x té r ie u r G N S S I n e r tie l L e s te c h n iq u e s r e te n u e s p o u r l in té r ie u r G N S S I n d o o r Signal Generator cable I n e r tie l d2 d 3 d 4 PRI k = PR j + cable + Σ uw + d k d 1 L e s g r a n d e s lig n e s Receiver C o u v r ir le la r g e é v e n ta il d e s e n v ir o n n e m e n ts in d o o r E n c o m b in a n t r a d io (la r g e s e s p a c e s ) e t in e r tie l (m ilie u x p lu s c o n fin é s ) C e q u i p e r m e t u n c a lib r a g e r é g u lie r d e l in e r tie l e n in d o o r C o n tin u ité g lo b a le e n tr e e x té r ie u r (G N S S + I n e r tie l) e t in té r ie u r (G N S S + I n e r tie l)! C o m p lé m e n t d e s s y s tè m e s a c tu e ls é g a le m e n t p o u r l e x té r ie u r!!