Remerciements. Guillaume PENSIER (CETMEF)

Remerciements Le tient à remercier toutes les personnes qui ont participé à la réalisation de ce document et notamment : Les rédacteurs de ce document : Dominique LEROUVILLOIS () Abdelhakim MELLOUK () Les relecteurs : Guillaume PENSIER () Michel MARCHI () Alain CONANGLE () Christian MACE () Raymond PEIX () Patrick RAVERDY () Isabelle ANDRIVON (VNF) Olivier MATRAT (VNF) Eric VERGNE (DGITM/DIT/RFP) 4

Sommaire 1. Présentation de l'étude 7 1.1 Contexte 7 1.2 Objectifs de l'étude 8 2. Sécurité de la navigation dans les tunnels canaux 9 2.1 Historique et état actuel de la navigation 9 2.2 Classification des tunnels canaux 9 2.3 Recommandations techniques pour la sécurité des tunnels canaux 10 2.4 Réglementation en matière de communications radioélectriques 12 3. Propagation des ondes radioélectriques en tunnel 13 3.1 Contraintes de propagation radioélectrique dans les tunnels 13 3.2 Perte des signaux de géolocalisation par satellites 14 4. Moyens de transmission radioélectrique en tunnel 16 4.1 Le câble rayonnant 16 4.2 Le guide d ondes à fentes 18 4.3 Les antennes 20 4.4 Le câble à fibres optiques 23 4.5 Cas particulier du réseau de téléphonie mobile GSM 24 4.6 Synthèse et bilan d'application dans les tunnels canaux 25 5. Localisation dans les tunnels 27 5.1 Techniques de localisation 27 5.2 Localisation par les systèmes de retransmission radioélectrique 28 5.3 Localisation par les réseaux terrestres de télécommunications 30 5.4 Localisation par RFID (Radio Frequency IDentification) 33 5.5 Localisation par ULB (Ultra Large Bande) 36 5.6 Localisation par caméra vidéo 38 5.7 Localisation par navigation inertielle (INS) 40 5.8 Solutions basées sur des récepteurs GPS 41 5

5.9 Localisation par des systèmes spécifiques 43 5.10 Synthèse et bilan d'application dans les tunnels canaux 49 6. Moyens de détection des bateaux aux entrées des tunnels canaux 53 6.1 Cellule photoélectrique 53 6.2 Barrière infrarouge 55 6.3 Le détecteur laser 57 6.4 La caméra vidéo 59 6.5 Le détecteur de mouvement 61 6.6 Détection par boucle inductive 62 6.7 Synthèse et bilan d'application dans les tunnels canaux 64 7. Conclusion 66 8. Annexes 68 Annexe 1 : Carte des tunnels canaux sur le réseau des voies navigables de VNF Annexe 2 : Géolocalisation par GPS Annexe 3 : Retransmission radioélectrique dans les tunnels de Ruyaulcourt et de Pouilly-enAuxois Annexe 4 : Exemples d'antennes Annexe 5 : Technologie RFID : normalisation et caractéristiques d'utilisation Annexe 6 : Références documentaires GLOSSAIRE 6 83

1. Présentation de l'étude 1.1 Contexte En France, il existe 31 tunnels canaux en exploitation représentant 42 km de voies navigables couvertes [1]. En général, ils ont été construits aux 18ème et 19ème siècles. Ces tunnels présentent des aspects très différents, en termes de géométrie, de longueur, de typologie et d importance de trafic, ainsi que de mode d exploitation (passage libre, toueur, ). La plupart d entre eux sont adaptés au gabarit appelé «Freycinet», c est-à-dire pour des péniches ayant une longueur de 38,5 m et une largeur de 5,05 m, en exploitation unidirectionnelle (dans un seul sens). La navigation se fait de façon libre et à faible vitesse (3 à 6 km/h sous la voûte du tunnel). Les tunnels sont situés sur des biefs délimités par des écluses à chaque extrémité. Ces écluses, points de passage incontournables, permettent un certain contrôle des bateaux présents sur le bief. La navigation obéit à des horaires d ouverture dépendant de la voie d eau sur laquelle se situe l ouvrage. Plusieurs types de transport sont susceptibles d emprunter un tunnel canal : marchandises (dangereuses ou non), plaisance (particuliers), passagers (tourisme), et autres usagers (embarcations de sport nautique, piétons et 2 roues sur les corniches et banquettes). Figure 1. Tunnels canaux de Riqueval et de Pouilly-en-Auxois L accident du tunnel routier du Mont-Blanc a mis en lumière les risques particuliers liés à la circulation en milieu confiné. La sécurité est devenue depuis une préoccupation majeure pour les autorités publiques et s'est traduite par un renforcement de la réglementation, y compris pour les tunnels canaux. Ainsi, des dispositifs de retransmission des communications radioélectriques de secours ont été mis en place dans certains tunnels, des équipements de vidéosurveillance sont également apparus. La navigation d un bateau sur le domaine fluvial se fait encore essentiellement à vue. En effet, seul le capitaine peut évaluer sa trajectoire et sa localisation sur la voie navigable. C est à sa seule appréciation des distances, de ses temps de réaction mais aussi de la visibilité et de son expérience en tant que navigant, que le bateau évolue sur la voie d 'eau. 7

Avec le développement des services d'informations fluviaux (SIF) préconisés par les instances internationales (directive SIF de la Commission Européenne, [2]), on peut s'attendre à voir apparaître dans le futur, tout le long des voies navigables, la disponibilité de nouveaux services, tels que des services d'assistance à la navigation en cas de besoin et l'accès à des informations régulières et à jour sur les conditions de navigation. Pour cela, il sera nécessaire de s'appuyer sur des dispositifs techniques et des systèmes d'informations et de communications reliant les usagers et les centres de gestion du trafic fluvial. 1.2 Objectifs de l'étude Pour assurer la sécurité des personnes transportées, du personnel navigant mais aussi pour préserver l environnement de pollutions provoquées par des accidents de transporteurs de matières dangereuses et enfin, pour faciliter la navigation par tout temps et en tout lieu, l utilisation de systèmes automatisés de localisation, de communication et de détection est importante et doit être prise en compte. Les navigants disposent de plus en plus d'équipements de télécommunications à bord pour faciliter leurs prises de décision et assurer leur sécurité durant la navigation. Ainsi, les bateaux sont équipés de moyens de communications par voie radioélectrique : radiotéléphone VHF, téléphone mobile GSM, dispositif AIS, etc, mais ces moyens deviennent inopérants sans adaptation à l'intérieur des tunnels canaux. Les navigants disposent également d'équipements facilitant leur appréciation des distances par rapport aux obstacles et leur positionnement sur la voie d'eau (radar, récepteur GPS, carte électronique,...). Si ces équipements sont exploitables dans de bonnes conditions en milieu extérieur, ils deviennent très vite inopérants en milieu confiné, requérant des dispositifs spécifiques adaptés au fonctionnement dans cet environnement confiné. Cette étude a pour objectif de dresser un panorama des technologies de télécommunications qui peuvent être envisagées dans l'environnement des tunnels canaux, pour assurer le suivi du trafic fluvial et renforcer la sécurité de la navigation. Ces technologies doivent permettre les échanges d'informations suivants entre la voie navigable et le centre de contrôle du trafic fluvial : des échanges téléphoniques et de données entre les usagers et les contrôleurs du trafic, et avec les services de secours en cas de besoin, à l'intérieur des tunnels canaux, le suivi du trafic fluvial et la localisation des bateaux par les contrôleurs du trafic, à l'intérieur des tunnels canaux, la détection du passage des bateaux aux extrémités des tunnels canaux. 8

2. Sécurité de la navigation dans les tunnels canaux 2.1 Historique et état actuel de la navigation Anciennement, les embarcations étaient tractées dans les tunnels canaux pour conserver des conditions de qualité de l'air adéquates avec la santé des navigants. La période 1970-1980 a marqué la fin de cette organisation et des procédés techniques associés. Les principales modifications effectuées ont porté sur la ventilation interne pour garantir les conditions d hygiène et de santé et sur la nécessité d un système de gestion de l alternat [3]. Cependant, certains tunnels restent difficilement franchissables du fait des difficultés pour le service exploitant de garantir à l usager des conditions d hygiène suffisantes concernant la qualité de l air. Ainsi, le système de traction a été maintenu dans quelques tunnels pour éviter les accidents : Riqueval sur le canal de Saint Quentin et Mauvages sur le canal de la Marne au Rhin. Les ouvrages ou sections d ouvrage dans lesquels le croisement est possible sont l exception et par conséquent, la majorité des tunnels canaux doivent faire l objet d une régulation par alternat. Après l accident du tunnel du Mont-Blanc en 1999, les délégations locales de VNF ont ponctuellement mis en œuvre des mesures de sécurité préventives, en liaison avec les préfectures et les services départementaux d incendie et de secours. Ces dispositions préventives étaient très hétérogènes, et prenaient principalement pour référence la circulaire interministérielle n 2000-63 du 25 août 2000, relative à la sécurité dans les tunnels du réseau routier national. Compte tenu de la différence marquée entre les tunnels routiers et les tunnels canaux, tant en terme de géométrie d ouvrages que de typologie et d intensité de trafic, de nature d incident et d accident ou de mode d exploitation, cette circulaire n'était pas adaptée. Pour assurer la sécurité des usagers de la voie d eau, VNF a donc souhaité capitaliser les retours d'expérience et harmoniser, en fonction d une classification, les méthodes et techniques de mise en sécurité des tunnels canaux. Un Fascicule de Recommandations Techniques (FRT), élaboré à partir de 2005, regroupe l ensemble des travaux à entreprendre, des équipements à mettre en place et des modes d exploitation à appliquer pour chacune des classes de tunnels [1]. 2.2 Classification des tunnels canaux La classification des tunnels canaux retenue par VNF est principalement basée sur la longueur des tunnels et le niveau de fréquentation de ces tunnels [1] : Classe 1 : Tunnels de plus de 50 m et de moins de 350 m Classe 2 : Tunnels entre 350 m et 1000 m Classe 3 : Tunnels de plus de 1000 m La classe 2 se subdivise en fonction de l importance du trafic : 2a : moins de 8000 bateaux par an et moins de 80 bateaux par jour de pointe et moins de 100 bateaux à passagers par an. 9

2b : plus de 8000 bateaux par an ou plus de 80 bateaux par jour ou plus de 100 bateaux à passagers par an. La figure 2 ci-dessous présente la distribution des longueurs des principaux tunnels canaux en France, alors que l'annexe 1 représente sur une carte géographique leur localisation géographique. Figure 2. Longueurs des principaux tunnels canaux de France 2.3 Recommandations techniques pour la sécurité des tunnels canaux Les recommandations techniques du FRT portent sur les domaines suivants : le génie civil (accès au tunnel, aménagement des évacuations), la signalisation (fixe et lumineuse), l éclairage, les moyens d appel d urgence et la retransmission des communications, les moyens de lutte contre l incendie, les équipements de surveillance, la ventilation et l'alimentation électrique, les moyens d'exploitation (poste de surveillance, alternat, exclusion des navigations). Il n y a pas d exigences réglementaires à appliquer ces mesures. Elles sont considérées comme un outil référentiel pour l établissement des exigences de sécurité tout en sachant que les contraintes d aménagement sont à prendre en compte. 10

Dans le cadre de cette étude prospective sur les télécommunications dans les tunnels canaux, il est intéressant de relever les préconisations du FRT dans ce domaine pour les différentes classes de tunnels [1]. Ainsi, il est mentionné qu'en cas d'accident dans un tunnel canal, la continuité des communications et la retransmission des radiocommunications des services de secours doivent être assurées, où qu ils se trouvent dans l ouvrage. L information ou les consignes vers les usagers dans le tunnel canal ou à l extérieur doivent être diffusées que se soit par téléphone ou par radio, provenant des services de secours ou de l exploitant. En complément, les tunnels de classe 3 doivent être équipés d un moyen de retransmission des communications hertziennes pour les fréquences utilisées par les services de secours, l exploitant et les usagers. La retransmission des communications hertziennes permet à l exploitant d adresser des messages et consignes aux usagers présents dans le tunnel, et aux usagers de signaler rapidement tout incident ou situation dangereuse. A cet effet, les solutions de retransmission mises en œuvre doivent viser à toucher le public le plus large possible. Il est également indiqué que tout usager devra s équiper de portatif VHF. Afin de détecter le plus rapidement possible tout incident ou accident, en fonction des enjeux du trafic, le FRT relève l'importance des équipements de surveillance mis à disposition de l exploitant. Ainsi, les tunnels de classe 3 doivent être munis d un système de vidéosurveillance permettant de couvrir l ensemble du tunnel, en particulier les cheminements accessibles. Chaque ouvrage doit disposer d un poste de permanence pour l exploitation. Ce poste peut être le local de l éclusier ou un Poste de Contrôle Commande (PCC) local ou distant. Ce poste permet de gérer l ensemble des moyens de surveillance, d alarme, d alerte, de contrôle commande et d intervention nécessaires à la sécurité de la navigation dans le tunnel qui lui est affecté. Quelle que soit la classe de tunnel, lors de la traversée d un tunnel canal par un bateau transportant des marchandises dangereuses ou par un bateau à passagers, il est recherché les solutions d exploitation évitant que d autres bateaux soient présents dans le tunnel. Pour réaliser ces exclusions, l exploitant doit disposer des moyens nécessaires à l identification et au contrôle d accès et d espacement des bateaux. Pour les tunnels de classe 3, nonobstant les dispositions de cadencement prévues, l exploitant doit disposer de moyens de surveillance et de communication lui permettant de faire respecter un espacement suffisant entre bateaux ainsi que l'alternat. Pour les tunnels de classe 2b ne disposant pas de moyens de surveillance et de communication avec les bateaux, il doit être prévu un cadencement de bateaux, déterminé en fonction du temps de traversée moyen du tunnel, de sorte qu il n y ait qu un seul bateau engagé à la fois dans le tunnel et qu il ne puisse y avoir de navigation en sens contraire dans le tunnel. Le cadencement doit s appuyer sur le contrôle de passage aux écluses et la gestion de la signalisation lumineuse de trafic. Les tunnels de classe 2 et 3 doivent être munis de feux d alternat aux têtes et d un dispositif de détection de bateau dans chaque sens de navigation permettant de déceler les entrées et sorties de l ouvrage. 11

2.4 Réglementation en matière de communications radioélectriques Les obligations en matière de communication radioélectrique dans les tunnels sont régies par la loi de modernisation de la sécurité civile n 2004-811 du 13 août 2004, notamment dans l'article 6, alinéa II : «Les Maîtres d ouvrages et exploitants d ouvrages routiers, ferroviaires ou fluviaux ainsi que les exploitants de certaines catégories d établissements recevant du public garantissent aux services de secours la disposition d une capacité suffisante de communication radioélectrique à l intérieur de ces ouvrages et établissements». Le décret N 2006-165 du 10 février 2006 fixe les catégories d ouvrages et d établissements soumis à ces obligations. Il précise les niveaux d exigence et les délais d application requis pour leur mise en œuvre. Ainsi, les ouvrages doivent se conformer à cette obligation dans un délai de trois ans à compter de la date de parution du décret (17 février 2006). L'arrêté du 10 novembre 2008 est venu préciser les références techniques relatives à la continuité des radiocommunications dans les tunnels routiers, ferroviaires et fluviaux pour les services publics qui concourent aux missions de sécurité civile. Il indique également que les tunnels fluviaux dont la longueur est supérieure à 2 000 mètres sont concernés par ces exigences de continuité des radiocommunications. Selon cet arrêté, les communications radioélectriques et les moyens propres des services publics sont ceux de l infrastructure nationale partageable des transmissions (INPT) qui supporte notamment les services ACROPOL (réseau radioélectrique de la police nationale) et ANTARES (réseau radioélectrique des sapeurs-pompiers). Il s'agit donc d'assurer la retransmission des communications supportées par un réseau radioélectrique dédié dans la bande de fréquences [380 MHz - 430 MHz]. Ces exigences sont prises en compte par VNF dans le Fascicule des Recommandations Techniques (FRT) pour la sécurité des tunnels canaux [1]. Ainsi, il est indiqué que les tunnels de classe 3 doivent être équipés de moyens de retransmission des communications hertziennes pour le réseau de communications entre les usagers et l exploitant et pour les réseaux radioélectriques des services de secours. 12

3. Propagation des ondes radioélectriques en tunnel 3.1 Contraintes de propagation radioélectrique dans les tunnels Plusieurs phénomènes [4] peuvent perturber la propagation des ondes radioélectriques dans les milieux confinés comme les tunnels. Quelques-uns des phénomènes sont répertoriés ci-dessous: L effet guide d ondes créé par les parois du tunnel, Les réflexions multiples sur les parois provoquant des variations rapides et des évanouissements du champ électrique qui se propage dans le tunnel, Effets de masques liés à la présence d un ou plusieurs bateaux dans le tunnel ainsi qu aux courbes et aux discontinuités (élargissement, rétrécissement) à l'intérieur du tunnel. Les lois usuelles de la propagation en espace libre ne sont donc plus applicables et doivent être étudiées spécifiquement dans les milieux confinés. Pour illustrer les conditions de propagation radioélectrique dans un tunnel fluvial, nous décrivons ci-après les résultats de mesures d'affaiblissement de signaux radioélectriques effectuées dans le tunnel fluvial de Tronquoy [5]. Ces essais ont été réalisés dans le cadre d'un projet d'implantation d'un système de retransmission radioélectrique, pour permettre de mieux dimensionner les équipements de la chaîne de retransmission : relais radio, antennes, amplificateurs,... Pour réaliser ces mesures, un signal radioélectrique de puissance constante dans la bande des 400 MHz est émis dans le tunnel par un émetteur relié à une antenne. Cette installation d'émission intérieure est fixe et située à une extrémité du tunnel. Une station de réception (analyseur de spectre portable relié à une antenne) est déplacée à l'intérieur du tunnel tous les 20 mètres pour effectuer une mesure du niveau du signal radioélectrique. Figure 3. Mesure du champ radioélectrique en tunnel 13

Les résultats des mesures d'atténuation du champ électrique sont présentés sur la figure ci-dessous : Nive au de r é ce ption m e s ur é au tunne l du TRONQUOY Position de l'émetteur 0 0 200 400 600 800 1000 1200-10 -20 Niveau mesuré en dbm -30-40 -50-60 Pente de 3,3 db / 100m -70-80 -90 Pente de 18 db / 100m -100 Dis tance e n m è tr e s e ntre ante nne d'é m is sion (fixe ) e t ante nne r é ce ption (m obile ) Figure 4. Mesure du champ radioélectrique dans le tunnel de Tronquoy (longueur de 1100 m) Il est constaté que l onde radio se propage suivant deux modes différents en fonction de la distance parcourue dans le canal : Zone proche de l antenne d émission : L onde radio s'affaiblit rapidement avec la distance parcourue, avec un coefficient moyen de 18 db sur 100 m. Zone située au delà de 300 mètres de l antenne d émission : L onde radio s'affaiblit moins rapidement avec la distance parcourue, avec un coefficient moyen de 3,3 db sur 100 m. Par ailleurs, on a constaté également au cours de ces essais radio, que si un bateau est présent dans le tunnel, cela a pour conséquence d'augmenter l'affaiblissement du signal. Le bateau ou tout autre obstacle représente donc une contrainte pour la propagation du signal radioélectrique en tunnel. 3.2 Perte des signaux de géolocalisation par satellites Les systèmes de géolocalisation par satellites tels que le système GPS sont désormais couramment utilisés par les navigants pour déterminer leur position en continu sur leurs trajets. La précision obtenue est de l'ordre d'une dizaine de mètres dans de bonnes conditions de réception, ce qui est lar14

gement suffisant pour se situer sur une carte géographique. Un rappel du principe de localisation par le système GPS est présenté en annexe 2. Pour pouvoir se positionner, il faut recevoir le signal d au moins 4 satellites, ce qui est normalement le cas dans les lieux ouverts mais ce qui n est pas toujours possible dans les villes, où apparaît le phénomène de canyons urbains. Par contre, les signaux satellitaires ne peuvent pas être captés à l intérieur des bâtiments, ce qui rend ces systèmes inutilisables dans les tunnels (cf. Figure 5). Par conséquent, répondre à des besoins de localisation dans les tunnels nécessite de concevoir et de mettre en place des systèmes spécifiques. Figure 5. Phénomène de masquage 15

4. Moyens de transmission radioélectrique en tunnel Puisque les ondes radioélectriques sont très fortement atténuées dans les milieux confinés, il est nécessaire d'utiliser des supports de transmission spécifiques pour pouvoir établir des communications en tunnel. Les technologies disponibles sont : Le câble rayonnant, Le guide d onde, Les antennes, le câble à fibres optiques. 4.1 Le câble rayonnant 4.1.1 Présentation Le câble rayonnant est un type de câble coaxial muni de fentes. Il est utilisé pour assurer des transmissions audio, vidéo ou de données numériques [6]. Le principe de base d un câble rayonnant consiste à faire transporter l énergie électromagnétique par une ligne de transmission qui laisse s échapper progressivement cette énergie. On conçoit que ce dispositif fonctionne quel que soit l environnement, car il n est pas tributaire de l atténuation des ondes radioélectriques dans certains milieux particuliers (tunnels, effets de masque en environnement urbain, etc). Les câbles rayonnants permettent d'établir un champ électromagnétique homogène réparti sur toute leur longueur. Ils peuvent transporter simultanément plusieurs fréquences radioélectriques, en fonction de leur bande passante. Cependant, outre l'énergie perdue par rayonnement, ces lignes de propagation présentent des pertes qui limitent leurs portées utiles, ce qui nécessite l emploi de répéteurs ou d émetteurs pour régénérer les signaux. Propriétés physiques : Plus la fréquence d un signal est élevée, plus l atténuation longitudinale dans le câble coaxial est grande, et plus le tronçon de transmission du signal à haute fréquence correspondant, est court. Plus le diamètre d un câble coaxial est élevé, plus l atténuation longitudinale pour un signal à haute fréquence est faible, et plus le tronçon de transmission du signal à haute fréquence correspondant est long. Constitution d un câble rayonnant : Les éléments qui constituent un câble rayonnant sont : La gaine extérieure servant à protéger le câble de son environnement extérieur, Le conducteur extérieur permettant la fuite de l énergie à travers les alvéoles, 16

L isolant constitué d un matériau diélectrique permettant d éviter tout contact avec le blindage et aussi les interactions électriques, L âme composée de cuivre transportant les signaux radioélectriques. La figure 6 présente les composants d un câble rayonnant et un exemple d association de matériaux. Figure 6. Éléments constitutifs d un câble rayonnant Deux types de câbles rayonnants existent [4]: Les câbles à ouvertures rapprochées ou à modes couplés qui comportent sur le conducteur extérieur de petites ouvertures rapprochées distribuées sur une génératrice, Les câbles à fentes ou à modes rayonnés qui comportent des fentes inclinées dont l espacement s apparente à la longueur d onde des signaux transportés par le câble. Ces ouvertures et fentes permettent le transfert de l énergie électromagnétique, c'est-à-dire des signaux radioélectriques véhiculés par l âme du câble, dans l'environnement proche du câble rayonnant. La figure 7 présente les deux types de câbles rayonnants mentionnés ci-dessus. Gaine extérieure Conducteur extérieur Mode couplé : ouvertures rapprochées Mode rayonné : à fentes Figure 7. Exemples de câbles rayonnants 17

Les principales caractéristiques techniques des câbles rayonnants sont les suivantes : Bonne durée de vie, Installation simple et rapide, Bonne résistance à la corrosion, Protection anti-halogène afin d éviter l asphyxie due aux gaz de combustion et antiflamme pour éviter la propagation du feu (norme incendie NFC 32-070), adaptés pour transporter des signaux radioélectriques sur une très large bande de fréquences, pratiquement de 100 MHz jusqu à 1 GHz. Au-delà de 1 GHz, les pertes dues au diélectrique deviennent prépondérantes. 4.1.2 Application aux tunnels canaux De nombreuses lignes de métro sont équipées de câbles rayonnants pour les communications radioélectriques. Ce type d installation est aussi privilégié dans les tunnels ferroviaires pour les communications voix et données entre les conducteurs et le centre de contrôle, et pour la retransmission de la radio FM. De nombreux tunnels routiers sont également pourvus de câbles rayonnants pour assurer la sécurité des usagers grâce aux communications radio entre l exploitant et les services d intervention extérieurs, pour informer les conducteurs des conditions de circulation sous le tunnel et pour le confort des usagers en assurant la transmission des radios de la bande FM. Enfin, pour les tunnels canaux, les systèmes de retransmission radioélectrique mis en place s'appuient principalement sur les câbles rayonnants du fait de leur capacité à retransmettre les signaux des réseaux radioélectriques existants sur une très large bande de fréquences : réseau radiotéléphonique pour les usagers de la voie d'eau dans la bande Marine VHF à 150 MHz, réseaux des services de secours (Pompiers, Police, Gendarmerie) et en particulier leurs nouveaux réseaux numériques s'appuyant sur l'inpt (Infrastructure Nationale Partagée des Télécommunications) dans la bande 380 430 MHz (ACROPOL, ANTARES,..). Le a notamment participé aux projets de réalisation de ces systèmes de retransmission dans les tunnels de Ruyaulcourt et de Pouilly-en-Auxois. Fort de ces expériences, il a rédigé un guide technique décrivant en détail les principes de la retransmission radioélectrique et la conception de tels systèmes [5]. L'annexe 3 présente les dispositifs de retransmission radioélectrique réalisés dans ces deux tunnels. 4.2 Le guide d ondes à fentes 4.2.1 Présentation Le guide d ondes est un système qui permet de guider les ondes électromagnétiques et s utilise en optique, en physique et en télécommunications. Pour véhiculer les ondes, le système est générale- 18

ment constitué de deux matériaux différents ou bien d un seul avec un gradient 1 d indice (cas de certaines fibres optiques). Les guides d ondes peuvent se présenter sous la forme d un tube creux où la propagation est généralement assurée par réflexions multiples sur des parois métalliques. Un avantage de ce type de guide est de ne pas comporter de conducteur interne comme dans le câble rayonnant. En effet, l utilisation d un diélectrique n est plus nécessaire puisque l air joue ce rôle. En fait, dans les applications performantes (radars), l'air est souvent remplacé par un gaz pressurisé pour éviter notamment la présence de particules d'eau. Mais dans le cas du guide d'ondes à fentes, cela n'est pas nécessaire. On trouve différentes formes de guides d ondes : ceux comportant des sections droites rectangulaires et circulaires sont couramment employés (cf. Figure 8). Figure 8. Guides d ondes à section droite rectangulaire et circulaire De nombreux modes de propagation sont possibles et possèdent des caractéristiques qui leur sont propres : affaiblissement et déphasage longitudinal, vitesse de propagation, etc. Dans les applications de télécommunications, on souhaite généralement qu'un seul mode puisse se propager (à la fréquence du signal). Un choix judicieux de la forme et des dimensions du guide permet d'obtenir ce résultat. De plus, pour permettre le rayonnement d'une partie de l'énergie de l'onde vers l'extérieur du guide, le guide d'ondes devra être à fentes. 4.2.2 Application aux tunnels canaux Pour la retransmission de signaux radioélectriques à l'intérieur de tunnels, le guide d'ondes peut être utilisé pour des fréquences à partir de 2 GHz. En dessous de cette fréquence, il aurait des dimensions trop importantes, et donc un coût très élevé, pour son utilisation. Pour les tunnels ferroviaires, l'inrets a conçu le système IAGO (Informatisation et Automatisation par Guide d Ondes) qui a été commercialisé par ALSTOM dans plusieurs lignes de métro. Il permet l'établissement d'une liaison radioélectrique sol-train dans la bande de fréquences 2,4 2,5 GHz, assurant notamment la transmission des informations voix et données entre les trains et le poste central de contrôle-commande [4]. Il s'agit ici d'un guide d ondes métallique (aluminium) à fentes de section rectangulaire mis en place au centre des rails. Les communications sont assurées grâce à un système d antennes placé sous le 1 Le gradient est une grandeur vectorielle qui indique comment une grandeur physique varie en fonction de ses différents paramètres. 19

train et au réseau d ouvertures identiques du guide qui laisse fuir l énergie vers l extérieur (Figure 9). En plus du système d antennes mobiles proches du guide, un effet de blindage est apporté par le train, ce qui s avère bénéfique pour la transmission des ondes. Figure 9. Le système IAGO En dehors de ce type d'application spécifique aux trains, le guide d'ondes métallique à fentes n'est pas utilisé dans les autres modes de transport. Avant d'envisager une application possible dans un tunnel canal, une étude de faisabilité serait nécessaire au préalable pour vérifier l'adéquation d'un système de communication possible entre l'antenne sur les bateaux et un guide d'ondes fixé sous la voûte. 4.3 Les antennes 4.3.1 Présentation Une antenne radioélectrique est un dispositif permettant de recevoir et/ou d'émettre des ondes radioélectriques. Différentes antennes existent en fonction de l'utilisation que l'on souhaite en faire. Les caractéristiques principales d'une antenne sont [7] : le diagramme de rayonnement, le gain et la directivité, la polarisation, 20

l'impédance (adaptation), les formes et dimension. Le diagramme de rayonnement : L'antenne isotrope, c'est-à-dire rayonnant de la même façon dans toutes les directions, est un modèle théorique irréalisable dans la pratique. En réalité, l'énergie rayonnée par une antenne est répartie inégalement dans l'espace, certaines directions étant privilégiées : ce sont les lobes de rayonnement. Le diagramme de rayonnement d'une antenne permet de visualiser ces lobes. Le gain d'une antenne : Le gain définit l'augmentation de puissance émise ou reçue dans le lobe principal par rapport au modèle isotrope. Il est dû au fait que l'énergie est focalisée dans une direction au détriment des autres. La directivité : La directivité de l'antenne dans le plan horizontal est une caractéristique importante dans le choix d'une antenne. Une antenne directive possède un ou deux lobes nettement plus importants que les autres qu'on nomme «lobes principaux». Elle sera d'autant plus directive que le lobe le plus important sera étroit. L'adaptation d'impédance : L antenne sert de transformateur d impédance entre l espace libre et la ligne de transmission. Avant de pouvoir rayonner, une antenne doit dès lors être adaptée à l impédance du circuit auquel elle est reliée, et ce sur toute la bande de fréquence du système. Un adaptateur d antenne appelé aussi «coupleur d antenne» adapte l impédance de sortie d un émetteur ou récepteur, généralement normalisée à 50 ohms, à l impédance d une antenne radioélectrique à la fréquence utilisée. Formes et dimension : Pour la même fréquence d'utilisation, les dimensions d'une antenne seront d'autant plus grandes que son gain sera élevé et son lobe principal plus étroit. A titre d'exemples, l'antenne Yagi utilisable pour des fréquences de la bande HF (3 à 30 MHz) jusqu'à la bande UHF (de 300 MHz à 3 GHz) et l'antenne hélice pour la bande UHF sont décrites en annexe 4. 4.3.2 Technique des antennes multiples La technique des antennes multiples en émission et en réception (MIMO), éventuellement associée à des techniques de multiplexage fréquentiel FDM (Frequency Division Multiplexing), consiste à 21

utiliser la propagation par trajets multiples de manière à transformer le canal de propagation global en un certain nombre de canaux indépendants les uns des autres. L'utilisation de plusieurs antennes à l'émission et à la réception combinée à des techniques de traitement du signal et de codage adaptées est une voie aujourd'hui très prometteuse dans le domaine des communications sans fil, pour offrir des débits élevés et de la robustesse aux évanouissements rapides du canal radio. Les avantages liés à l'utilisation de plusieurs antennes sont les suivants [4] : l'utilisation de plusieurs antennes permet de combiner les signaux à la réception et d'augmenter le rapport signal sur bruit ce qui permet d'améliorer la couverture radio. l'utilisation de plusieurs antennes à la fois en émission et en réception permet de créer plusieurs canaux ayant chacun la même capacité ce qui permet une augmentation du débit. 4.3.3 Application aux tunnels canaux Pour assurer la couverture radioélectrique d'un tunnel, il faut en général mettre en œuvre plusieurs antennes et éventuellement amplifier le signal. Lors de l'ingénierie du système, il conviendra donc de faire attention aux points suivants [4] : en tunnel, la directivité et le gain des antennes sont inférieurs aux valeurs données par les constructeurs pour l'espace libre, la distance entre les antennes doit être optimisée en fonction de l'atténuation linéique dans le tunnel pour éviter les interférences entre les ondes issues de chaque antenne. Pour assurer la retransmission de signaux radioélectriques dans un tunnel avec des antennes, il faut installer un répéteur ou une station de base qui va chercher les signaux à l extérieur du tunnel et qui les retransmet par antennes directives dans le tunnel. Les antennes ne sont pas adaptées pour les fréquences radioélectriques inférieures ou égales à 300 MHz dans les tunnels, en raison de leurs faibles portées avec des dimensions raisonnables. Dans la bande UHF (300 MHz à 3 GHz), les antennes permettent d'obtenir de très bonnes portées dans les tunnels rectilignes. Leur installation au centre des tunnels permet de couvrir une distance comprise entre 300 et 500 m. Les antennes peuvent être encombrantes, aussi elles ne pourront pas être placées dans tous les tunnels canaux, en particulier, ceux à gabarit réduit. La transmission par antenne est sujette à une atténuation significative au droit des péniches par l effet de masque qu elles procurent. Il est nécessaire de s assurer que les conditions d exploitation maintiennent un espacement entre deux bateaux compatible avec l implantation des bornes, de sorte qu il y ait en permanence au moins une borne entre deux bateaux, faute de quoi d importantes zones d ombre pourraient apparaître. 22

4.4 Le câble à fibres optiques 4.4.1 Présentation La fibre optique est ce qu on appelle un guide d onde optique circulaire. C est donc un moyen de guider la lumière en son cœur. Le cœur de la fibre est composé de silice, ou plus exactement d oxyde de silicium. Le cœur est entouré d une couche de silice de moindre qualité formant la gaine optique. Le cœur et la gaine ont des indices de réfraction différents. Ainsi, pour qu il y ait propagation de la lumière, l indice de réfraction du cœur doit être plus grand que celui de la gaine. La lumière est donc confinée dans le cœur. Figure 10. Éléments constitutifs d'une fibre optique Pour avoir une propagation de la lumière sans perte dans la fibre optique, tous les rayons lumineux qui se trouvent entre la gaine et le cœur devront remplir la condition de réflexion totale interne. Nota : il existe des technologies de fibres pour lesquelles le saut d'indice entre le cœur et la gaine est progressif (on parle alors de gradient d'indice). Ces fibres offrent des performances supérieures. Les avantages de la transmission par fibre optique par rapport aux câbles coaxiaux sont : une transmission insensible aux perturbations électromagnétiques, la fibre optique ne génère aucune perturbation électromagnétique : elle est indécelable, sa largeur de bande passante très importante (de l'ordre de quelques THz) permet des communications numériques à très haut débit et permet également de véhiculer des signaux radioélectriques HF directement (sans modulation / démodulation), l'atténuation est très faible par rapport aux autres supports (moins de 0,2 db/km), ce qui permet d'envisager de très grandes distances entre équipements sans réamplification, la liaison par fibre optique assure une isolation galvanique parfaite entre l émetteur et le récepteur, le câble optique est moins encombrant. 23

Par contre, la fibre optique présente des coûts d'installation qui restent élevés (de l'ordre de 50 à 100 par mètre de pose, en comptant les travaux de génie civil pour l'enfouissement du support au fond du canal). 4.4.2 Application aux tunnels canaux En raison de leurs caractéristiques, les fibres optiques sont très utilisées dans les tunnels, notamment pour raccorder les équipements électroniques déployés dans le tunnel (émetteurs/récepteurs, répéteurs, capteurs, équipements de sécurité) avec le centre de contrôle. Ainsi, dans un système de retransmission radioélectrique, les fibres optiques sont utilisées pour relier la station de capture des réseaux radio extérieurs (station extérieure au tunnel) avec les différentes stations d amplification des signaux situées à l'intérieur du tunnel [5]. 4.5 Cas particulier du réseau de téléphonie mobile GSM La couverture radioélectrique d un tunnel dans le cas d un réseau de téléphonie mobile de deuxième génération (norme GSM) peut se faire selon deux approches [4]. La première solution consiste à insérer dans le plan de fréquences une cellule supplémentaire matérialisée par le tunnel et disposant de sa propre station de base (BTS), qui est connectée à la station contrôleur (BSC) de la zone. La deuxième solution consiste à utiliser un répéteur qui retransmettra les signaux de la station BTS à l'intérieur du tunnel et vice-versa. Dans ce cas, le tunnel est un sous-ensemble de la cellule radioélectrique existante. Dans le cas de l utilisation d un répéteur, il convient d utiliser des amplificateurs large bande afin de pouvoir retransmettre l ensemble des fréquences GSM disponibles de part et d autre du tunnel. En outre, dans une telle architecture, les problèmes relatifs au retard de propagation ne doivent pas être négligés. Figure 11. Architecture possible pour la retransmission du GSM en tunnel 24

4.6 Synthèse et bilan d'application dans les tunnels canaux Le tableau suivant recense les principaux avantages et inconvénients des différentes technologies de retransmission radioélectrique présentées dans ce chapitre. Ces technologies étant largement éprouvées, elles peuvent être mises en œuvre dans la plupart des tunnels canaux (à l'exception du guide d'ondes à fentes qui nécessiterait une étude de faisabilité préalable), après prise en compte des spécificités du tunnel et des besoins de transmission. Pour plus d'informations sur la mise en œuvre d'un système de retransmission radioélectrique dans un tunnel canal, nous recommandons l'ouvrage du de référence [5]. Technologie de retransmission dans les tunnels Avantages Inconvénients Adaptation aux tunnels canaux Câble rayonnant - adapté pour transporter des signaux radioélectriques sur une très large bande de fréquences, pratiquement de 100 MHz jusqu à 1 GHz - Bonne durée de vie - Installation simple et rapide - Bonne résistance à la corrosion - Protection anti-halogène - pertes qui limitent la portée utile et nécessitent l'emploi de répéteurs ou d'émetteurs pour régénérer les signaux - non adapté pour les signaux à très hautes fréquences (au-delà de 1 GHz), les pertes dues au diélectrique devenant prépondérantes *** Guide d'ondes à - pas besoin de conducteur interne pour la - non adapté pour la retransmission de fentes propagation (rôle assuré par l'air), signaux en-dessous de 2 GHz, ses - adapté pour la retransmission des signaux dimensions devenant trop importantes radioélectriques au-delà de 2 GHz * Antenne - bonne propagation dans les tunnels aux très hautes fréquences (au delà de 300 MHz) avec antenne directive - faibles dimensions aux très hautes fréquences - non adapté pour la transmission de signaux en-dessous de 300 MHz, ses dimensions devenant trop importantes - nécessité d'une vue dégagée pour une bonne propagation (passage des bateaux considéré comme un obstacle à la propagation) *** Fibre optique - transmission insensible aux perturbations électromagnétiques et ne génère aucune perturbation électromagnétique - largeur de bande passante très importante (de l'ordre de quelques THz) permettant des communications numériques à très haut débit et le transport des signaux radioélectriques HF directement (sans modulation / démodulation), - atténuation très faible par rapport aux autres supports (moins de 0,2 db/km) - câble optique très peu encombrant - coûts d'installation très élevés - ne peut être utilisée seule pour la retransmission des communications radioélectriques dans les tunnels (complément au câble rayonnant ou antenne) *** 25

Nota : la cotation de l'adaptation des technologies aux tunnels canaux est faite de la façon suivante : : adaptation difficilement envisageable * : adaptation envisageable à moyen terme sous réserve d'études et de développements industriels ** : adaptation envisageable à court terme (expérimentations préalables à mener) *** : adaptation acquise 26

5. Localisation dans les tunnels La localisation d'un mobile en environnement extérieur s'effectue aujourd'hui principalement au moyen d'un navigateur de type GPS, qui reçoit les signaux de positionnement des satellites visibles de la constellation GPS et en déduit sa position en temps réel. Par contre, la localisation par navigateur GPS devient difficile dès lors que des obstacles naturels empêchent la réception des signaux satellitaires (comme par exemple dans les canyons urbains), voire impossible dans un espace fermé. Ainsi, dans un tunnel, les navigateurs GPS sont inopérants et il est nécessaire de s'appuyer sur des systèmes de localisation spécifiques pour déterminer sa position. Ce chapitre recense l'ensemble des technologies et systèmes de localisation utilisables dans un environnement intérieur. Nous allons nous intéresser principalement aux systèmes qui peuvent permettre de suivre les bateaux à l'intérieur des tunnels à partir d'un centre de surveillance et de contrôle situé à l'extérieur du tunnel. Avec le recueil des informations de localisation, les opérateurs du centre de surveillance pourront disposer sur un écran de supervision d'une image du trafic en temps réel dans le tunnel. Besoin fonctionnel de localisation dans les tunnels canaux : A priori, la problématique de la localisation des bateaux dans les tunnels canaux ne nécessite pas le recueil continu de la position ni une grande précision. On peut estimer qu'une position transmise toutes les 10 s avec un niveau de précision de l'ordre de 10 m voire 100 m devrait être suffisante. 5.1 Techniques de localisation Pour localiser un mobile, il est nécessaire de faire une analyse de l'environnement de ce mobile, puis de représenter la position du mobile par rapport à cet environnement. Cette analyse de l'environnement peut être menée selon deux approches [8] : Approche dite «localisation endogène» (ou «localization») : Dans ce cas, le mobile observe son environnement et élabore par lui-même sa localisation. Cela suppose de la part du mobile de disposer de capteurs et de puissance de traitement adaptés à la détermination de la position. Par exemple, les récepteurs GPS et l'observation des phares côtiers par les bateaux utilisent cette approche. Approche dite «localisation exogène» (ou «positioning») : Dans ce cas, le mobile ne se localise pas lui-même, mais c'est un système extérieur qui prend en charge l'interrogation du monde physique et l'élaboration de la position des mobiles qu'il détecte. Le mobile peut, éventuellement, répondre à une sollicitation extérieure émise par le système central de localisation mais il ne calcule pas lui même sa position. Deux exemples typiques sont la surveillance aérienne et la localisation de transpondeurs maritimes (balises ARGOS). 27

L'analyse de l'environnement pour évaluer la position des mobiles est la plupart du temps basée sur l'exploitation de signaux (radioélectriques, lumineux ou sonores) qui sont échangés entre les mobiles et leur environnement et sur la mesure physique de ces signaux. Ainsi, les principales techniques de localisation s'appuient sur les mécanismes suivants : Angle Of Arrival (AOA) : la position des mobiles est calculée par triangulation à partir des angles relatifs de réception des signaux, Time Of Arrival (TOA) : la position des mobiles est calculée à partir des temps de propagation direct ou aller/retour entre les noeuds. Cette technique de localisation mesure trois temps de propagation émetteur-récepteur, ce qui permet de réaliser une triangulation (intersection de trois cercles). L inconvénient de cette méthode est qu elle nécessite la synchronisation émetteur/récepteur, Time Difference On Arrival (TDOA) : cette technique consiste à mesurer les différences de temps entre les arrivées de plusieurs signaux au niveau des récepteurs. Chaque différence de temps permet de tracer une hyperbole dans le plan. L intersection de trois hyperboles donne la position du mobile à localiser. L avantage de cette technique est qu elle ne nécessite pas de synchronisation émetteur/récepteur, Received Signal Strength Indicator (RSSI) : La localisation est déterminée à partir de la mesure de puissance reçue et d'un modèle de diminution de la puissance en fonction de la distance. Elle suppose cependant que le modèle d'atténuation des lieux (obstacles, murs, etc) soit bien connu. Chaque nœud du réseau collecte des mesures élémentaires qui permettent le calcul de la position des mobiles avec un algorithme local, réparti ou centralisé. Ces mécanismes supposent toujours la présence de nœuds de référence dont les coordonnées sont bien connues. D'autres mécanismes existants pour la localisation n'exploitent aucune mesure physique. La localisation est élaborée à partir des liaisons de données établies avec le mobile. Le plus connu de ces mécanismes est mis en œuvre sur les réseaux cellulaires de téléphonie mobile. Il s'agit de la localisation par identification de cellule : elle consiste simplement à donner la localisation du mobile en fonction de la borne radio avec laquelle il est associé. Sachant qu une borne radio peut couvrir plusieurs centaines de mètres, la précision est très faible. 5.2 Localisation par les systèmes de retransmission radioélectrique Il est envisageable d'utiliser certaines caractéristiques des systèmes de retransmission radioélectrique déployés dans un tunnel pour localiser les mobiles avec un niveau de précision variable selon la technologie employée. 5.2.1 Localisation par câble rayonnant 5.2.1.1 Principe de fonctionnement L'architecture d'un système de retransmission par câble rayonnant dans un tunnel est basée sur la constitution de tronçons de câbles rayonnants tous les 600 à 800 m pour des raisons de sécurité afin de limiter les dommages éventuels d'un incendie à une portion du système. 28

En mesurant le niveau du signal radioélectrique émis par les mobiles et capté par chaque tronçon de câble rayonnant, il est possible d'identifier sur quel tronçon le mobile est le plus proche (correspondant au niveau de signal le plus élevé). 5.2.1.2 Application aux tunnels canaux Avec ce type de système, la localisation dans un tunnel est possible à condition que le mobile émette régulièrement un signal radioélectrique qui sera capté et retransmis par le câble rayonnant. Cela implique donc un dispositif radio embarqué avec un logiciel pour gérer et émettre des signaux de données périodiquement, et une application sur le serveur du centre de supervision pour traiter les signaux reçus sur chaque tronçon de câble rayonnant et en déduire les positions des mobiles. Cela suppose aussi qu'il y ait une gestion des «identifiants» propres à chaque mobile. 5.2.2 Localisation par guide d ondes à fentes 5.2.2.1 Principe de fonctionnement Nous avons présenté au chapitre précédent ( 4.2.2) une application du guide d'ondes à fentes à l'intérieur d'un tunnel ferroviaire pour la transmission des communications entre les trains et un centre de contrôle (système IAGO). En jouant sur l'orientation spécifique de certaines fentes sur le guide d'ondes, il est possible d'obtenir des informations sur la position des trains. Ainsi, le système IAGO permet non seulement la transmission des signaux radioélectriques mais aussi la mesure de la vitesse instantanée des trains et leur localisation absolue (figure 12). Le système de contrôle commande mis en place permet de gérer le système complet de transmission des données et de voix (messages à l intention des usagers, etc.) mais aussi les consignes de vitesse, de faciliter les manœuvres et la conduite. Figure 12 : Système IAGO Principe de la localisation 29

5.2.2.2 Application aux tunnels canaux Pour une application de ce système dans les tunnels canaux, il serait nécessaire de réaliser au préalable une étude de faisabilité puis de mener une expérimentation. En effet, l'installation d'un guide d'ondes ne pourrait être réalisée qu en sommet de voûte et, la distance entre la balise placée sur le bateau et le guide d ondes étant variable en fonction du type d embarcation, cela risquerait d affaiblir fortement les signaux, rendant difficile voire impossible la transmission. 5.3 Localisation par les réseaux terrestres de télécommunications 5.3.1 Localisation par les réseaux de téléphonie mobile 5.3.1.1 Principe de fonctionnement Les réseaux existants de téléphonie mobile (GSM) mettent en œuvre des techniques (cellules radioélectriques, mécanismes de synchronisation) qui vont permettre de localiser les abonnés lorsqu'ils utilisent leur téléphone portable. Les principales techniques de géolocalisation des téléphones mobiles par les réseaux GSM ont été décrites dans le document [9] du. La plus simple mais la moins précise consiste en l'identification de la cellule (Cell-ID) dans laquelle se trouve le mobile : Cell-ID : Le système de localisation se base sur la reconnaissance de la BTS (Base Transceiver Station ou antenne relais) par laquelle passe la communication établie par l'équipement mobile. Celuici est alors positionné au centre de la cellule radioélectrique définie par cette BTS. Cette technique est la plus rapide (moins de 5 s) et la moins coûteuse ; par conséquent, c'est la plus répandue. En zone urbaine, la précision varie entre 100 et 700 m alors qu'en zone rurale, cela peut aller jusqu'à 10 km. La précision de cette technique dépend du nombre de relais et de leur portée. Les autres techniques prennent en compte des informations supplémentaires provenant des cellules voisines (identification des cellules dans la zone de couverture du mobile, niveaux de puissance reçue des BTS des cellules voisines, différences de temps d'arrivée des signaux des BTS). Elles apportent davantage de précision (jusqu'à une dizaine de mètres) mais sont plus complexes à mettre en œuvre. 5.3.1.2 Application aux tunnels canaux La principale difficulté réside dans le fait qu'à ce jour les réseaux de téléphonie mobile n'assurent pas la couverture radioélectrique des tunnels canaux en raison de l'absence d'intérêt économique pour les opérateurs (trafic trop faible). De plus, même en cas de couverture radioélectrique d'un tunnel par un réseau GSM, il serait difficile de localiser un bateau à l'intérieur du tunnel, car ce dernier étant connecté à une seule cellule, le bateau serait au mieux confondu avec le tunnel. 30

5.3.2 Localisation par les réseaux Wi-Fi 5.3.2.1 Principe de fonctionnement Les réseaux Wi-Fi sont des réseaux locaux sans fil (WLAN) qui ont connu un spectaculaire développement ces dernières années sur les lieux publics (points d'accès internet de type hotspots) comme chez les particuliers. Ils sont basés sur la norme IEEE 802.11. Grâce au Wi-Fi, il est possible de créer des réseaux locaux sans fils à haut débit pour peu que la station à connecter ne soit pas trop distante par rapport au point d accès. Dans la pratique, le Wi-Fi permet de relier des ordinateurs portables, des machines de bureau, des assistants personnels (PDA) ou tout type de périphérique à une liaison haut débit (11 Mb/s ou supérieur) sur un rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres) à plusieurs centaines de mètres en environnement ouvert. Ces réseaux peuvent être utilisés pour la localisation des équipements mobiles, grâce aux signaux de contrôle émis régulièrement par les points d'accès pour gérer le roaming (ou itinérance faculté de changement de cellule en cours de communication) lors du déplacement des utilisateurs. Ces signaux permettent aux mobiles de rester connectés au point d accès avec lequel le rapport signal à bruit est le meilleur. Plusieurs techniques de positionnement par les réseaux Wi-Fi ont été développées [10]. Elles diffèrent selon qu'elles s'adressent aux mobiles eux-mêmes ou à un centre de contrôle. Techniques de localisation Wi-Fi par les mobiles : La technologie WPS (Wi-Fi Positioning System) permet aux utilisateurs mobiles équipés d'un terminal Wi-Fi de se localiser en exploitant les signaux émis par des points d'accès Wi-Fi (hotspots) situés à proximité [11]. Le WPS est destiné aux ordinateurs portables, assistants personnels (PDA) ou téléphones évolués (de type smartphone). Pour connaître la position géographique d'un utilisateur mobile, un logiciel WPS embarqué sur le terminal va scanner l environnement à la recherche de points d'accès Wi-Fi. Ceux situés à proximité répondent en communicant des informations d'identification. WPS décode les identifiants des émetteurs et mesure le niveau de puissance des signaux reçus. Puis, il consulte une base de données contenant les positions de tous les points d'accès Wi-Fi existants et il calcule par triangulation la position du mobile. Une amélioration de cette technologie a été proposée par l'inrets (unité LIVIC) pour s'affranchir des mesures de puissance des signaux reçus, qui sont sujettes à des fluctuations imprévisibles (conditions météo, vitesse relative entre émetteur et récepteur, présence d'obstacles à proximité,...). Le procédé de localisation repose sur la construction préalable d une base de données référençant les émetteurs Wi-Fi existants, géolocalisés sur une carte numérique représentant une zone géographique donnée (3D intérieur/extérieur). En situation réelle, les émetteurs Wi-Fi détectés par le récepteur sont comparés avec ceux enregistrés dans la base de données pour en déduire leur position de référence, puis le mobile calcule sa propre position déduite de l'intersection des zones de couverture des émetteurs Wi-Fi. L'estimation de la position peut être améliorée en s'appuyant sur un modèle d'évolution des déplacements du mobile (historique des positions antérieures), voire sur un système prédictif cinématique, ou avec des algorithmes de «map matching» (positionnement au 31

maximum de vraisemblance par rapport à une infrastructure suivie, ce qui est le cas d'une route ou d'un canal par exemple). Des expérimentations ont été réalisées en 2007 avec succès dans Paris et dans Versailles, par le LIVIC. Une précision de 20 m a été constatée à cette occasion [12]. Le WPS reste efficace surtout en milieu urbain. En effet, plus les points d accès sans fil sont nombreux, plus le calcul de la position sera précis (de l'ordre de 20 à 40 m). La solution est économique puisque aucun matériel supplémentaire n est à prévoir. Cependant, le WPS est tributaire des zones couvertes en Wi-Fi et ne peut donc être utilisé pour le moment en zone rurale. Techniques de localisation Wi-Fi par le réseau : Pour localiser des mobiles dans un environnement intérieur à partir de réseaux Wi-Fi, plusieurs solutions ont été développées, comme celle consistant à équiper de badges Wi-Fi les personnes ou les objets dont on souhaite connaître les positions. Ces badges émettent régulièrement un signal radio qui est capté par un point d'accès Wi-Fi de proximité, ce qui permet de les localiser. Une console serveur sur le réseau de l'entreprise récupère les informations de localisation pour les afficher sur une carte électronique. La précision de localisation obtenue est d'environ 2 à 3m. Ce type de solution est proposé par la société Aeroscout [13]. Une autre technique est de réaliser un calibrage radio de l'environnement, qui consiste à relever préalablement sur le site le niveau de puissance reçu du signal radio du réseau Wi-Fi existant et la manière dont il se propage dans les lieux à couvrir. Ces informations sont ensuite enregistrées dans une base de données, ce qui permettra par comparaison de localiser les badges Wi-Fi en fonction du signal radio qu'ils émettent. Cette technique est proposée notamment par la société Ekahau [13]. 5.3.2.2 Application aux tunnels canaux Cette technologie ouvre une voie intéressante pour la localisation en environnement confiné. A titre d'exemple, la société Pôle Star a développé une offre basée sur la technologie WPS en environnement intérieur et extérieur (hôpitaux, campus universitaires,...) et propose des solutions de navigation qui fusionnent les positions GPS et Wi-Fi par hybridation [14]. Typiquement, un logiciel intégré à un PDA ou à un smartphone effectue le calcul de la position en s'appuyant sur une base de données locale contenant les références des points d'accès Wi-Fi existants, et également sur un modèle de propagation prenant en considération l'affaiblissement du signal en fonction du milieu (tunnel, bâtiment, etc) dans lequel le récepteur se trouve. Ce type de solution est en cours de test dans les tunnels routiers et ferroviaires. Pour les tunnels canaux, une solution de localisation Wi-Fi est également envisageable, mais elle nécessite une étude de faisabilité spécifique et la réalisation d'une expérimentation. 32

5.4 Localisation par RFID (Radio Frequency IDentification) 5.4.1 Principe de fonctionnement La radio-identification désignée par le sigle RFID (Radio Frequency IDentification) est une technique permettant de mémoriser et récupérer des données à distance en utilisant des marqueurs appelés «radio-étiquettes» (ou «tag» ou «transpondeur»). Un système RFID se compose généralement d'un ensemble d'étiquettes, et d'un ou plusieurs lecteurs avec antennes. Les données échangées sont gérées et exploitées par une application hébergée sur un serveur de collecte. Les étiquettes comprennent une antenne associée à une puce électronique qui leur permet de recevoir et de répondre aux requêtes radio émises depuis les lecteurs RFID. Les lecteurs sont des dispositifs actifs, émetteurs de radiofréquences qui vont activer les étiquettes qui passent devant eux en leur fournissant à courte distance l énergie dont elles ont besoin. Après avoir récupéré des données (notamment les identifiants) provenant d'étiquettes RFID, les lecteurs se chargent de les ré-acheminer vers la base de données centrale via un réseau de collecte. Le traitement et le stockage des informations sont réalisés dans le serveur de collecte. La figure 13 ci-dessous décrit le principe de fonctionnement d'un système RFID [15]. Figure 13. principe de fonctionnement de la technologie RFID Caractéristiques et conditions d utilisation des étiquettes RFID : Il existe trois types d'étiquettes RFID : les tags passifs : ne disposant d aucune alimentation interne, ils dépendent de l effet électromagnétique de réception d un signal émis par le lecteur. C'est ce courant qui leur permet d alimenter leurs microcircuits. Les distances de communication sont limitées à 10m. Ils sont peu coûteux à produire et sont généralement réservés à des productions en 33

volume (coût de l'ordre de 0,20 ). Ce sont eux que l on trouve plus particulièrement dans la logistique et le transport. les tags semi-passifs : similaires aux tags passifs, ils emploient des technologies proches, mais avec quelques différences importantes. Ils disposent en effet d une petite batterie qui fonctionne en permanence pour alimenter les microcircuits et potentiellement un capteur intégré (température, humidité,..), ce qui libère l antenne pour d'autres tâches, notamment pour la réception des signaux du lecteur et la transmission des données du tag. Ils n'émettent que lorsqu'ils sont interrogés par le lecteur, à une distance pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de mètres. Ces tags sont plus robustes et plus rapides en lecture et en transmission que les tags passifs, mais ils sont aussi plus chers (environ 0,70 ). les tags actifs : Ils assurent, outre des fonctions de transmission, des fonctions soit de captage soit de traitement de l information captée, soit les deux. De ce fait, ils ont besoin d une alimentation embarquée et sont donc caractérisés par la durée de vie de celle-ci (de 4 à 10 ans). Ils sont en mesure d'émettre sans être interrogés par le lecteur, sur de grandes distances de communication (de l'ordre du km). Ce sont les plus chers (entre 15 et 40 ) car les plus complexes à produire [16]. Si le prix est un facteur important, il faut savoir que ces étiquettes s avèrent particulièrement bien adaptées à certaines fonctions, dont notamment la création de systèmes d authentification, de sécurisation, d antivol, etc. Ils sont idéaux pour tout ce qui concerne le déclenchement d une alerte ou d une alarme. Les étiquettes RFID possèdent des caractéristiques intéressantes pour une utilisation dans des conditions environnementales contraignantes. En effet, elles sont : inaltérables, fiables (durée de vie de plusieurs dizaines d'années pour les tags passifs), résistantes aux conditions extrêmes (pressions jusqu à 100 bars, salissures, neige ou gel, températures extrêmes de 50 C à +250 C), très peu encombrantes (fonction de la portée voulue et de l alimentation). Fréquences attribuées pour la RFID : La RFID s'est vue attribuée un certain nombre de fréquences classées en quatre groupes : les "basses fréquences" inférieures à 135 KHz : deux fréquences sont utilisées, le 125 KHz et le 134 KHz ; les "hautes fréquences": une fréquence est utilisée, le 13,56 MHz ; les "Ultra Hautes Fréquences" dites UHF: deux fréquences sont utilisées, le 433 MHz et la bande allant de 860 à 960 MHz ; les "micro-ondes": deux fréquences étaient initialement réservées, le 2,45 GHz et le 5,8 GHz. Cette dernière a finalement été abandonnée faute de demande mais reste à la disposition de la RFID. Chaque fréquence possède en propre des caractéristiques différentes, tant du point de vue des paramètres de communication (distance, vitesse d'échange) que vis-à-vis de l'environnement dans lequel 34

elle fonctionne (présence de métal et de liquide, activité électromagnétique...). Concrètement, chaque fréquence aura son propre domaine d'application préférentiel. A contrario, certains domaines d'applications pourront être couverts par plusieurs fréquences. Des informations supplémentaires sur cette technologie sont décrites en annexe 5, en particulier les caractéristiques techniques des étiquettes RFID, sa normalisation (normes ISO 18000) ainsi qu'une synthèse des avantages et inconvénients des étiquettes en fonction de la bande de fréquences utilisée (source : ARATEM Pôle traçabilité). 5.4.2 Application aux tunnels canaux Bien qu'il ne s'agisse pas d'une véritable technologie de localisation, la RFID pourrait être envisagée pour relever la position des bateaux en des endroits précis à l'intérieur des tunnels canaux. Compte tenu des caractéristiques de propagation des signaux radioélectriques dans les tunnels, il serait préférable de s'orienter sur la bande UHF autorisée (868 MHz). A cette fréquence, l'identification des tags passifs RFID est possible jusqu à environ 4 mètres de distance. Cependant, le tag RFID devra être isolé du métal car les ondes électromagnétiques ne traversent pas ces matériaux, et cela pourrait donc perturber la communication. L'identification par RFID d'un bateau permettrait de le positionner au niveau du lecteur fixe RFID. Pour améliorer le suivi des bateaux dans le tunnel, il suffirait de répartir judicieusement le nombre et la position des lecteurs RFID à l'intérieur du tunnel. La technologie RFID est désormais opérationnelle, performante et bien répandue dans de nombreuses applications, mais elle n'a pas à notre connaissance encore été testée dans un tunnel. Exemples d'applications de la RFID dans les transports : Aéroports de Paris [17] : la technologie RFID a été mise en place en 2006 pour la gestion des flux de taxis sur l aéroport de Roissy. Pour cela, tous les taxis parisiens ont été munis de badges RFID permettant leur détection automatique aux entrées et sorties des espaces de stationnement. En 2008, Hub télécom, filiale du groupe Aéroports de Paris, a lancé un service de traçabilité RFID des conteneurs à bagages sur l aéroport [18]. Les portiques RFID permettent une lecture par UHF des étiquettes positionnées sur les conteneurs à bagages jusqu'à 3m de distance. Transporteur routier Alloin [19] : Depuis janvier 2005, le groupe Alloin a équipé chacun de ses véhicules (avec moteur ou non) de tags RFID. Ces derniers sont lisibles jusqu à 30 mètres à une vitesse supérieure à 30 km/h. Les mouvements sont enregistrés automatiquement par des lecteurs RFID aux entrées et sorties de chaque site puis les données (véhicule, remorque, lieu du site, heure et date) sont transmises par réseau mobile (GPRS) et centralisées sur un serveur national. Usine de production automobile BMW [20]: BMW a adopté en 2005 une solution de localisation des véhicules neufs se trouvant aux alentours de ses usines, pour repérer n'importe quel nouveau véhicule sortant des chaînes de montage et ainsi accélérer la livraison des véhicules commandés sur mesure. Cette solution s appuie sur l'offre de la société Wherenet, qui est basée sur des tags RFID spécifiques ( Wheretags ), et sur un dispositif de localisation en temps réel. Les caractéristiques des tags sont les suivantes : ils sont 35

actifs, disposent d une portée variant de 100 m (intérieur) à 300 m (extérieur), pèsent environ 50 g et sont d une taille légèrement supérieure à celle d un ticket de métro parisien (mais avec une épaisseur de 2 cm). Transport maritime de conteneurs [21] : Une expérimentation de suivi de conteneurs maritimes a été lancée en 2008 par la société Savi Networks entre Shanghai (Chine), et Savannah (USA), pour collecter des informations en temps réel sur la localisation et la sécurité des marchandises transportées. Un réseau de capteurs, basé sur des étiquettes RFID actives, assure le suivi automatique de la position des conteneurs et de l'état de protection de leurs cargaisons. 5.5 Localisation par ULB (Ultra Large Bande) 5.5.1 Principe de fonctionnement La technologie Ultra Large Bande (ULB - UWB en anglais) est une technologie de transmission radio qui est basée sur la transmission d'impulsions de très courte durée, souvent inférieure à la nanoseconde et qui présentent un très faible rapport cyclique (rapport entre la durée d une impulsion et sa période de répétition). C'est souvent la position temporelle de l'impulsion ULB qui porte l'information. En conséquence, la bande de fréquences occupée par ces signaux est très large et ils sont émis avec une très faible densité spectrale de puissance (DSP). De ces deux principales caractéristiques découlent quelques-unes des propriétés annoncées pour les systèmes ULB [10]: faible susceptibilité à l évanouissement liée à la propagation par trajets multiples ; communications difficiles à détecter (faible densité spectrale de puissance) ; coexistence envisageable avec les systèmes existants ; systèmes relativement simples utilisant une transmission en bande de base permettant d envisager de faibles coûts de production et de faibles consommations ; bonne propriété des signaux ULB à pénétrer les obstacles (large spectre) ; possibilité de conserver une architecture commune pour des applications de communication, de localisation et de radar ; possibilité d atteindre de très hauts débits (sous réserve d'une synchronisation parfaite). Cette technologie a été retenue dans un standard développé par l'organisme de normalisation IEEE pour les réseaux informatiques sans fil de faible portée (groupe de travail 802.15 pour les «WPAN» - Wireless Personal Area Networks). Les valeurs typiques des débits possibles sont de l ordre de 100 Mbit/s à 10 m, 200 Mbit/s à 4 m, voire 480 Mbit/s à un mètre. Pour l introduction d un nouveau système de radiocommunications, les autorités de réglementation du spectre de fréquences édictent des règles strictes pour l émission des signaux, le but étant de protéger les personnes contre les risques pour la santé et les systèmes déjà existants contre les risques de brouillage. 36

Aux Etats-Unis, la FCC, l organisme de réglementation du spectre, a réglementé dès 2002 les émissions ULB. L émission de signaux ULB pour les communications y est autorisée sans licence pour des applications en intérieur et pour des liaisons mobiles point à point en extérieur, et la bande autorisée est de 3,1 10,6 GHz avec des limitations des puissances d'émission en fonction des fréquences. Ainsi, dans toute bande de 1 MHz comprise entre 3.1 et 10.6 GHz, la puissance moyennée sur une durée inférieure à 1 ms ne doit pas excéder 41.3 dbm / MHz, soit 75 nw. En Europe, la CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications) a adopté une position plus restrictive envers l utilisation de ULB suite à des études de l impact d un large déploiement des systèmes ULB sur les systèmes de radiocommunications existants. Dans une décision de 2006 amendée en 2007, le comité ECC de la CEPT a proposé de limiter l émission de signaux ULB à la bande 6 8,5 GHz avec une densité spectrale de puissance de 41,3 dbm / MHz. Principe de localisation par ULB : La localisation par ULB en environnement intérieur fait l'objet de nombreuses études et de travaux de recherches, par exemple en France par le laboratoire du CEA-LETI [22] ou par l'inrets. Les techniques actuelles permettent de garantir une précision de 50 cm dans un environnement NLOS (No Line of Sight), c est à dire lorsque l émetteur et le récepteur ne sont pas en vue directe, avec une zone de couverture de l'ordre de 20 m. Dans un système de localisation par ULB, des balises intégrées sur les mobiles émettent des signaux de données, qui sont reçus par des récepteurs fixes répartis dans l'environnement. Ces derniers évaluent la distance des balises par mesure du temps de propagation des signaux, ce qui permet au système de calculer la position des mobiles par triangulation. Deux méthodes de localisation peuvent être utilisées [23] : la méthode TOA (Time Of Arrival) mesure trois temps de propagation émetteur- récepteur, ce qui permet de réaliser une triangulation (intersection de trois cercles). L'inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite une synchronisation entre l'émetteur et le récepteur. Cette synchronisation est très exigeante puisqu'avec une vitesse de propagation des ondes proche de la vitesse de la lumière dans le vide, on se rapproche d'une précision de l'ordre de la dizaine de nanosecondes en absolu, pour atteindre une précision métrique. la méthode TDOA (Time Difference Of Arrival) consiste à mesurer les différences entre les temps d'arrivée des signaux au niveau des récepteurs. Cette méthode permet de s'affranchir du problème de synchronisation entre l'émetteur et le récepteur et requiert uniquement une exigence de synchronisme interne pour la mesure. Chaque différence de temps permet de tracer une hyperbole dans le plan. L intersection de trois hyperboles donne la position de l objet à localiser. La technologie ULB pour la localisation en intérieur commence à faire l'objet de développements industriels. A titre d'exemple, la société Ubisense propose un système de localisation constitué de points d accès et d émetteurs mobiles ULB portés par les usagers [24]. Ce système s'appuie à la fois sur les mesures d'angles d incidence d'arrivée des signaux ULB et les mesures temporelles TDOA pour déterminer les positions des mobiles avec une grande précision et une grande fiabilité, même dans les environnements très contraints. 37

Figure 14. Emetteur mobile ULB de la société Ubisense 5.5.2 Application aux tunnels canaux Cette technologie pourrait être envisagée à l'avenir dans les tunnels, mais cela nécessite de mener au préalable des études de faisabilité spécifiques prenant en compte les caractéristiques des tunnels et de monter des expérimentations pour vérifier l'applicabilité. 5.6 Localisation par caméra vidéo 5.6.1 Principe de fonctionnement Une caméra vidéo recevant des images d une scène permet d effectuer d une part une détection de présence d un élément dans une scène, mais aussi de localiser cet élément dans la scène. La localisation est effectuée grâce à des transformations mathématiques entre l image qui a été prise et les angles de vues de la caméra. Une autre utilisation possible de cette technique est de détecter les intrusions dans une zone. La portée d'une caméra en environnement intérieur est au maximum de 300 m et dépend de l emplacement de la caméra et des conditions d'éclairage. Il est également difficile de discriminer deux objets qui se croisent dans le tunnel : l un des objets masque l autre pendant un bref instant ou génère un contour apparent fusionné. Dans ce cas, le système vidéo conclut qu il n y a qu un seul objet dans la scène. 5.6.2 Application aux tunnels canaux La localisation de bateaux par caméras vidéo est envisageable dans un tunnel canal. La vidéosurveillance par caméras est déjà mise en œuvre dans certains tunnels, par contre elle n'est pas associée à une localisation des bateaux par traitement algorithmique des images. Ainsi, dans le tunnel de Ruyaulcourt, la progression des bateaux est suivie à l'aide de caméras vidéo (Figure 15), reliées à un poste de contrôle et de commande (Figure 16). Pour assurer ce suivi, le tunnel a été divisé en trois sections. Une caméra dôme est placée au milieu de chaque section, permettant ainsi le suivi continu du bateau dans la section du tunnel, depuis le poste de contrôle. 38

Ce dispositif est complété par un système de détection de passage par barrière infrarouge (Figure 28) à l'entrée et à la sortie de chaque section. La barrière infrarouge permet ainsi à l'exploitant de savoir à chaque instant dans quelle section du tunnel se trouve le bateau. Figure 15. caméra dôme dans le tunnel de Ruyaulcourt Figure 16. Le poste de contrôle et de commande à Ruyaulcourt 5.7 Localisation par navigation inertielle (INS) 5.7.1 Principe de fonctionnement Un système de navigation inertielle utilise un ou plusieurs capteurs embarqués sur le mobile pour délivrer des informations quant au comportement de l utilisateur. L exploitation des équations de la mécanique, comme l équation du mouvement, permet de déterminer la position du mobile à partir des informations délivrées par les différents capteurs. Généralement, les principaux capteurs utilisés sont des accéléromètres, des gyroscopes et des compas magnétiques. 39

L accéléromètre : Un accéléromètre est un capteur servant à mesurer l accélération d un objet. De manière concrète, les accéléromètres classiques fonctionnent comme un microphone, une membrane sensible au mouvement est relié à un dispositif électronique (bobine) qui émet un courant proportionnel aux variations de vitesse. On trouve également des accéléromètres capacitifs pour lesquels on mesure la variation de capacité dans un circuit oscillant, résultant d'une déformation de l'armature sous l'effet de l'accélération. Le gyroscope : Ce type de capteur quantifie les rotations autour d un axe. Le gyroscope mesure une vitesse angulaire. En intégrant les données issues de ce capteur, on obtient la direction du déplacement. Le compas magnétique : Le compas est un instrument de navigation qui donne une référence de direction (le nord) sur le plan horizontal et permet ainsi la mesure d'angles horizontaux par rapport à cette direction. Avec le compas magnétique, on utilise l'orientation d'une aiguille aimantée dans le champ du magnétisme terrestre pour mesurer l'angle de la direction suivie. On peut aussi mesurer la variation différentielle de flux magnétique dans 2 bobinages placés orthogonalement (capteur SIEMENS). Par intégration des données des capteurs inertiels, il est alors possible d obtenir : la position du mobile, la vitesse de déplacement, la vitesse angulaire, l accélération. Les données issues des capteurs sont disponibles en permanence (pas de problème de couverture radio comme pour les technologies précédentes). Les traitements des données provenant de ces capteurs se font localement, c est à dire sur l objet mobile, ce qui est un élément de sécurité pour le navigant. Des domaines comme l aéronautique civile ou l automobile utilisent ces capteurs afin d affiner la localisation GPS, ou alors en substitution de la navigation par GPS si celle ci est indisponible (cas d'un tunnel routier). Autant les unités de navigation inertielle aéronautiques ont des prix prohibitifs, autant il est possible de trouver des dispositifs à coût plus raisonnable pour des mobiles se déplaçant plus lentement et avec des contraintes accélérométriques moindres. Pour fonctionner, le système doit connaître au préalable sa position de départ. À cause de l intégration des données au cours du temps, le bruit entachant les mesures conduit à une dérive relativement importante de la position estimée, ce qui nécessite un recalage périodique de la position du mobile avec un autre système de localisation, par exemple un récepteur GPS en situation de visibilité des satellites. 40

5.7.2 Application aux tunnels canaux La navigation inertielle peut être très utile pour les bateaux pour connaître de façon continue leur position lorsque leur système de navigation principal (navigateur GPS) est inopérant, ce qui est le cas dans les tunnels. Par contre, ce système ne permet pas à un centre de contrôle de disposer des informations de localisation qu'il délivre, à moins qu'il soit associé à un système de transmission de données existant entre le bateau et le centre de contrôle et à une application dédiée pour le transfert des données de positionnement du bateau. 5.8 Solutions basées sur des récepteurs GPS Bien que les signaux satellitaires de type GPS ne soient plus accessibles à l'intérieur des tunnels, il existe des solutions de géolocalisation qui visent à utiliser le navigateur GPS dans tous les environnements, y compris en intérieur. Pour cela, il est nécessaire de mettre en place une infrastructure dédiée permettant au navigateur GPS de recevoir les signaux de type GPS et d'en déduire une position en intérieur. Cette infrastructure est constituée, soit de pseudolites, soit de répéteurs. 5.8.1 Systèmes basés sur des pseudolites 5.8.1.1 Principe de fonctionnement Un pseudolite (ou «pseudo-satellite») est un équipement radioélectrique qui génère un signal analogue aux signaux GPS. Il est ainsi envisageable d'imaginer un système de localisation à base de pseudolites pour couvrir un espace intérieur afin de permettre le positionnement des mobiles à l'aide de leur récepteur GPS. Mais la principale difficulté réside dans la conception même de ces pseudolites, car ils disposent d'un oscillateur interne bien moins précis que les horloges atomiques des satellites, ce qui induit des erreurs importantes (biais d'horloges) au niveau des algorithmes de calcul de position des récepteurs GPS. Cela conduit en général à bâtir une infrastructure au sol relativement complexe donc coûteuse pour conserver l'utilisation des récepteurs GPS avec des performances de positionnement équivalentes [25]. Toutefois, des solutions dérivées du principe des pseudolites mais simplifiées peuvent être envisagées. Nous allons présenter à titre d'exemple, les projets intitulés IPS et IMES qui sont en cours de développement. Système IPS (Indoor Positioning System) de la société ATIS Réalisation [26] : Ce système est conçu pour permettre de localiser un agent d'intervention (d'un service de secours,..) placé dans un milieu confiné (métro, tunnel), à partir d un poste de contrôle, en s'appuyant sur un récepteur GPS et sur les portatifs radios professionnels (de type TETRA ou TETRAPOL) des agents. Ce système devrait fonctionner de la façon suivante : 41

En extérieur, le récepteur GPS reçoit les signaux provenant des satellites et calcule sa position. Elle est alors transmise par le biais du réseau radio professionnel au poste de contrôle. En intérieur, le récepteur GPS reçoit les signaux provenant de balises radioélectriques (pseudolites) qui émettent un signal d'identification, ce qui permet une localisation du mobile dans la zone de couverture de la balise la plus proche. Les informations d'identification de chaque balise sont alors transmises vers le poste de contrôle par le biais du réseau radio professionnel. Ces informations permettent d identifier la zone où se situe le mobile. Cependant, pour pouvoir fonctionner en intérieur, le récepteur GPS devra avoir une configuration spécifique. La zone définie par la balise peut être de taille variable, plus cette zone est petite et meilleure sera la précision. Un logiciel est développé également afin de permettre au poste de contrôle d identifier la position, sur une cartographie décrivant les lieux couverts par les balises IPS. En fonction de la zone à couvrir, la puissance radio émise sera entre - 40 et - 90 dbm et elle aura une portée d'environ 10 m. Système IMES (Indoor Messaging System) de l'agence JAXA (Japon) [27] : L'agence spatiale japonaise JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency) a conçu le système IMES afin de permettre l'utilisation du récepteur GPS dans tous les environnements (extérieur et intérieur) pour déterminer la position des mobiles. Ce système est composé de balises radioélectriques, de récepteurs GPS modifiés embarqués dans des terminaux mobiles, et de serveurs de données. Un récepteur GPS dans le système IMES utilise les signaux satellitaires du GPS en situation normale à l'extérieur, et en l'absence de réception des signaux satellitaires, il peut capter les signaux émis par les balises radioélectriques situées à l'intérieur des bâtiments. La structure de ces signaux est similaire à celle des signaux GPS, mais avec des messages de navigation spécifiques. La portée de ces balises est limitée à 10 m. Le mobile déduit sa position de par la position connue de la balise, en exploitant les informations contenues dans le signal émis par la balise. La précision de la position est donc de l'ordre de 10 m, ce qui est largement suffisant pour la plupart des besoins applicatifs dans les espaces confinés. 5.8.1.2 Application aux tunnels canaux Une solution de localisation analogue à celle du système IPS présentée ci-dessus pourrait être intéressante dans la configuration des tunnels canaux. Elle implique l'existence d'un réseau de retransmission des communications radioélectriques et la présence de portatifs radio professionnels sur les bateaux (en général postes VHF en 150 MHz). Cette solution impose également l'installation de balises (pseudolites), réparties tout le long du tunnel en fonction de la précision souhaitée pour la localisation. Une étude de faisabilité est nécessaire pour la conception d'une solution potentielle. 42

5.8.2 Systèmes basés sur des répéteurs GPS 5.8.2.1 Principe de fonctionnement Une autre solution permettant d'utiliser un récepteur GPS dans un environnement confiné consiste à déployer un système de retransmission des signaux GPS à l'intérieur du tunnel, par l'intermédiaire d'un répéteur GPS. Le principe de base d'un répéteur GPS est de recevoir les signaux GPS captés sur une antenne extérieure située à proximité, où la réception est de très bonne qualité, puis d'amplifier les signaux avant de les réémettre dans l'environnement confiné. Ainsi, l'ensemble des signaux GPS peuvent être retransmis vers l'intérieur. Par contre, l'utilisation de répéteurs conduit à une difficulté lorsqu'il faut résoudre les équations de navigation avec un récepteur GPS standard. En effet, les temps de propagation réellement mesurés par le récepteur, fournissant les pseudo-distances, ne donnent pas la distance euclidienne séparant les satellites du récepteur intérieur, mais en fait une somme de distances : celle séparant le satellite de l antenne de réception située à l'extérieur, plus celle correspondant à la propagation entre l antenne de retransmission en intérieur et l antenne du récepteur intérieur. A ceci, il convient de plus d ajouter les délais électroniques imputables au système déployé (amplificateurs, coupleurs, câbles, etc). Il est ainsi nécessaire, pour déterminer une position en intérieur, de prendre en compte l'ensemble des temps de propagation que chaque système électronique peut induire. Cette approche en est au stade de la recherche et du développement, comme le montrent par exemple les travaux de l'institut national des Télécoms (SudParis) décrits dans le document [28]. 5.8.2.2 Application aux tunnels canaux Ce type de solution étant au stade de la recherche, elle n'est pas envisageable à court terme dans le cadre des tunnels canaux. 5.9 Localisation par des systèmes spécifiques D autres technologies peuvent être utilisées pour déterminer la position d un mobile dans un environnement intérieur, comme celles utilisant des tags actifs/passifs et communiquant par ultrason ou par infrarouge. Cependant, ces technologies présentent des points faibles qui peuvent devenir des freins quant à leur déploiement, notamment le coût et la complexité d installation (synchronisation des éléments entre eux, conditions particulières d installation telles que les angles de vue,.. ). 5.9.1 Localisation par ultrason 5.9.1.1 Principe de fonctionnement La plupart des systèmes de localisation par ultrason sont combinés avec une autre technologie afin d obtenir une estimation de la distance émetteur/récepteur. Les informations provenant des signaux ultrasons sont combinées avec celles provenant de signaux radioélectriques, afin d'exploiter le fait que l onde sonore et l onde radio possèdent des vitesses de propagation très différentes. Cette combinaison permet d estimer la distance émetteur/récepteur puis la position occupée par le mobile. 43

Ces systèmes ont été développés par des laboratoires de recherche, principalement pour localiser des personnes ou des objets en déplacement dans des bâtiments. Par exemple, dans le système ActiveBat (Figure 17), développé par le laboratoire de AT&T à Cambridge en 1998 [29], les utilisateurs portent des badges appelés «Bat» qui émettent des ultrasons. Les plafonds des pièces sont équipés de grilles de récepteurs d ultrasons reliés à un contrôleur de réseau qui assure la synchronisation des récepteurs et la communication radio avec les mobiles. Dès qu un émetteur est détecté, le contrôleur du réseau émet un signal radioélectrique (à 433 MHz) qui est capté par l équipement mobile (Bat). Le «Bat» transmet alors une série d impulsions ultrasonores qui sont détectées par les récepteurs situés à proximité. Ensuite, le contrôleur interroge chacun des récepteurs composant le réseau et récupère les intervalles de temps entre le signal radioélectrique émis et le signal ultrason détecté, celui-ci correspondant au pic de signal ultrason reçu pour tenir compte des multi-trajets possibles. La position du mobile est ainsi obtenue par trilatération. La contrainte de mesure temporelle sur une onde sonore se propageant moins vite que les ondes électromagnétiques est moindre et permet de concevoir des systèmes à bas coût (à l'instar des mesureurs de distance grand public). Figure 17. Emetteurs et Récepteurs à ultrason du système Active Bat Dans le système Cricket développé par l'université américaine MIT [30], des émetteurs sont placés au plafond du bâtiment et émettent simultanément un signal ultrason et un signal radioélectrique contenant des informations sur leur localisation. Le récepteur, embarqué sur le mobile, reçoit successivement l onde radio et l onde ultra-sonore. Il effectue une corrélation de ces deux signaux reçus pour extraire la différence des temps d arrivée entre chacune de ces ondes. Ceci permet d estimer la distance le séparant de l émetteur qui a émis ces deux signaux. En réitérant cette même mesure avec plusieurs émetteurs, le mobile détermine précisément sa position dans l environnement. 5.9.1.2 Application aux tunnels canaux Ce type de solution étant au stade de la recherche, elle n'est pas envisageable à court terme dans le cadre des tunnels canaux. 44

5.9.2 Localisation par infrarouge 5.9.2.1 Principe de fonctionnement De même, la technologie infrarouge peut être exploitée pour localiser des mobiles dans un environnement intérieur. Ainsi, par analogie avec le système Active Bat décrit précédemment (& 5.9.1), le système Active Badge (Figure 18) a été développé dès 1992 par AT&T [31]. Le mobile à localiser est équipé d un tag émettant un signal infrarouge toutes les 10 secondes. Les récepteurs sont installés au plafond dans chaque pièce de l environnement. Ces récepteurs sont reliés entre eux pour former un réseau synchronisé permettant de détecter le tag actif. La portée des capteurs utilisés est de 6 m. Pour une utilisation dans de petites pièces, de nombreuses réflexions sont présentes, ce qui facilite la détection du signal émis. Figure 18. Principe de fonctionnement de la localisation par infrarouge La présence de la lumière du jour est un frein au développement de cette technologie car cette lumière perturbe la transmission infra rouge entre l émetteur et le récepteur. 5.9.2.2 Application aux tunnels canaux Ce type de solution étant au stade de la recherche, elle n'est pas envisageable à court terme dans le cadre des tunnels canaux. 5.9.3 Localisation par des systèmes de Protection du Travailleur Isolé 5.9.3.1 Principe de fonctionnement Les dispositifs de Protection du Travailleur Isolé (PTI) sont des équipements portatifs dotés d'un capteur de perte de verticalité ou de détection de perte de mouvement, et d'un émetteur radio qui envoie un message d'alarme vers un poste de surveillance en cas de détection d'une situation anormale du travailleur isolé. Certains dispositifs PTI comprennent des systèmes de localisation pour permettre de localiser très rapidement la zone du lieu de l'accident. Ils sont basés sur la présence de balises radios fixes émettant généralement dans une bande libre. Les signaux émis par ces balises sont captés par les équipe- 45

ments PTI situés à proximité, ceux-ci retransmettent ensuite les informations d'identification de ces balises vers des bornes radios fixes. Ainsi, nous allons décrire, à titre d'exemple, le système DATI (dispositif d'alerte du Travailleur Isolé) de la société ICOM qui s'articule autour de transmetteurs mobiles, de balises et de répéteurs fixes acheminant l'information d'alerte et de localisation jusqu'à un centre de surveillance [32]. Les transmetteurs DATI : Ce sont des émetteurs-récepteurs très compacts destinés aux utilisateurs qui offrent les fonctionnalités suivantes : Protection du Travailleur Isolé (PTI), Alarme manuelle par pression sur bouton d'urgence, Localisation du «porteur» par l'intermédiaire de balises de localisation. Les balises de localisation : Ces bornes fixes transmettent leur identité périodiquement par émission d'un signal radio dans la bande des 868 MHz. Un récepteur dédié, intégré dans le transmetteur DATI, reçoit les émissions de ces bornes lorsque l utilisateur du portatif passe à proximité. La puissance d émission des balises est d environ 10 mw, ce qui autorise une portée de 20 m en intérieur et de plus de 100 m en extérieur (ajustable). Pour information, d'autres systèmes PTI s'appuient sur des fréquences sous licence, notamment dans les bandes 150 MHz et 450 MHz, ce qui permet d'augmenter les distances de réception des signaux (jusqu'à 2 kms en extérieur). Les répéteurs DATI : Ces bornes fixes assurent les fonctions suivantes : réception des informations en provenance des transmetteurs DATI, relais par radio des transmissions d'autres répéteurs pour les acheminer jusqu'au PC. La portée des répéteurs DATI est d'environ 100 m et ils émettent à la fréquence d'environ 800 MHz. Le logiciel de gestion : Les informations d'alerte et de localisation sont acheminées jusqu'à un logiciel de gestion, hébergé sur un serveur situé au PC de surveillance, qui permet d'obtenir un ensemble d'informations : affichage sur cartographie de la position du «porteur» du transmetteur pour assurer sa sécurité, visualisation des alertes pour intervenir en cas d'urgence, gestion de la sécurité pour protéger en temps réel l'utilisateur. Le principe d'architecture réseau du système DATI est présenté sur la figure 19. 46

PC pour les informations d'alerte et de localisation Figure 19. Architecture réseau du système de localisation DATI 5.9.3.2 Application aux tunnels canaux Cette solution est intéressante dans le cadre des tunnels car elle peut répondre également à la problématique de la sécurité des navigants et des personnels d'intervention lors de la traversée des tunnels (par la fonction PTI). Elle nécessite l'existence d'un réseau de retransmission des communications radioélectriques et la présence de transmetteurs PTI sur les bateaux. Cette solution impose également l'installation de balises de localisation, réparties tout le long du tunnel en fonction de la précision souhaitée pour la localisation. Une étude de faisabilité est nécessaire pour la conception d'une solution potentielle. 5.9.4 Localisation basée sur un réseau d'antennes multiples 5.9.4.1 Principe de fonctionnement La société NOKIA a développé une solution innovante de localisation en environnement intérieur, qui s'appuie sur un réseau d'antennes multiples fixées au plafond dans de grands bâtiments (halls de gare, galeries marchandes,...). Les antennes émettent en permanence un signal radioélectrique à la fréquence de 5,3 GHz [33] et un récepteur porté par la personne en mouvement permet de déduire sa position en continu dans la zone de couverture. La technique de localisation s'appuie sur la mesure de l'angle d'azimut et de l'angle d'élévation qu'il y a entre l'antenne qui émet le signal et le mobile doté d'un récepteur (figure 20). Cette technique offrirait une précision de 1 à 4 m, ce qui est suffisant pour le développement de services contextuels basés sur la localisation des personnes dans un espace intérieur. 47

Figure 20. Principe de localisation par mesure d'angles Cette expérimentation de NOKIA est basée sur des antennes multiples à l'émission selon la technologie MIMO (Multi-Input Multi-Output). Le principe du MIMO est simple : il consiste à multiplier les signaux émis pour transmettre une même information. Peu importe que les ondes radio se dégradent avec la distance ou à cause des obstacles : les paquets de données qu'elles véhiculent sont réorganisés à l'arrivée pour reconstituer l'information d'origine. La figure 21 présente le type d'antenne MIMO utilisée pour l'expérimentation de NOKIA. Figure 21. Antenne MIMO à 5,3 GHz 5.9.4.2 Application aux tunnels canaux Ce type de solution étant au stade de la recherche, elle n'est pas envisageable à court terme dans le cadre des tunnels canaux. 48

5.10 Synthèse et bilan d'application dans les tunnels canaux Après cette description des différentes technologies et systèmes de localisation développés pour permettre la localisation de personnes et d'objets en situation de mobilité dans des environnements confinés, nous tenterons de dresser un tableau comparatif de ces technologies puis de tirer un bilan d'application dans les tunnels canaux. 5.10.1 Tableau comparatif des technologies de localisation Le tableau suivant recense les principaux avantages et inconvénients des différentes technologies présentées dans ce chapitre et en déduit leur adaptation potentielle au cas des tunnels canaux dans un avenir plus ou moins proche. Technologie de localisation Inconvénients Adaptation aux tunnels canaux Précision faible (de l'ordre de 300 m) Nécessite une application dédiée sur serveur avec logiciel sur terminal radio embarqué ** - Nécessite une infrastructure de guide d'ondes dans le tunnel - Coût élevé de fourniture et d'installation des guides d'ondes - nécessite une application dédiée sur serveur * Réseaux de Pas d'équipement supplémentaire sur les - nécessite la couverture radio GSM du téléphonie bateaux (un terminal mobile GSM suffit) tunnel (dépend des opérateurs) mobile (GSM) - aucune précision de localisation à l'intérieur du tunnel (présence ou non des bateaux) Réseaux WiFi ** Câble nant Avantages rayon- - Support de transmission déjà répandu dans les tunnels - Emploi possible pour la fonction de retransmission des communications radio et pour la fonction de localisation - zone de couverture large (par tronçon de câble de l'ordre de 600 m) Guide d'ondes - Emploi possible pour la fonction de retransmission des communications radio et pour la fonction de localisation - permet la localisation absolue - pas besoin d'équipement supplémentaire sur les bateaux - Technologie normalisée, bon marché et largement répandue - Possibilité d'échanges de données à proximité des bornes fixes - Possibilité de localisation par les bateaux (avec application dédiée sur terminal embarqué) - très bonne précision (de l'ordre de 3 m) - nécessite une infrastructure de bornes WiFi dans le tunnel - nécessite des badges WiFi embarqués et une application dédiée sur serveur - zone de couverture moyenne (de l'ordre de 50 m) 49

RFID - Technologie en voie de normalisation, bon marché et en pleine expansion - Etiquettes RFID adaptées à des conditions environnementales sévères - Permet l'identification du mobile - très bonne précision (de l'ordre de 5 m) - nécessite une infrastructure de lecteurs RFID dans le tunnel - risque de perturbations électromagnétiques avec les métaux - zone de couverture très faible (de l'ordre de 5 m) ** ULB - Technologie d'avenir permettant de supporter des échanges de données et la fonction de localisation - Très bonne précision (de l'ordre de 1m) - Technologie non complètement mature - nécessite une infrastructure de récepteurs ULB dans le tunnel - nécessite des balises ULB dans les terminaux embarqués et une application dédiée sur serveur - Faible niveau d'émission autorisé - zone de couverture faible (20 m) * Caméras vidéo - Technologie permettant de combiner la détection de passage, la classification voire l'identification du bateau, la localisation et l'enregistrement de scènes filmées - Technologie déjà déployée dans certains tunnels canaux - zone de couverture importante (300 m) - Logiciel de traitement d'images complexe et donc onéreux pour de la localisation - nécessite une infrastructure de caméras dans le tunnel - nécessite un éclairage suffisant pour la zone à couvrir ** Navigation inertielle - pas d'accès aux informations de localisation par le centre de contrôle - précision de localisation décroit rapidement avec le temps de traversée (dérive de l'estimation) - système de localisation bas coût pour les bateaux - localisation continue par les bateaux, complémentaire du GPS pour les zones de non réception *** (bateaux) Récepteur GPS - Pas d'équipement supplémentaire sur les - nécessite une infrastructure dédiée et bateaux coûteuse dans le tunnel (pseudolites, répéteurs GPS) - localisation continue par les bateaux - Nécessite une application dédiée pour les calculs des positions et une infrastructure de retransmission radio pour transmettre les données de positionnement au centre de contrôle - configuration spécifique des navigateurs GPS (cas pseudolites) - au stade R&D pour les répéteurs GPS * ultrason * 50 - localisation continue possible avec une - nécessite la combinaison avec une autre bonne précision technologie (radio) pour la localisation - système simple et bas coût pour les - nécessite une infrastructure dédiée bateaux (récepteurs ultra-sonores) dans le tunnel - nécessite une application dédiée de localisation au centre de contrôle - au stade de R&D

Infrarouge IR - système simple et bas coût pour les bateaux - identification du bateau associée à la localisation - Très bonne précision (de l'ordre de 6 m) - nécessite une infrastructure dédiée (capteurs IR) dans le tunnel - nécessite une application dédiée de localisation au centre de contrôle - zone de couverture très faible par capteur (6 m) * Système Pro- - système couplant la fonction PTI avec la - nécessite une infrastructure dédiée tection Tra- fonction de localisation (balises et répéteurs radio) dans le tunnel vailleur Isolé - zone de couverture de l'ordre de 100 m - nécessite une application dédiée de loca(pti) par balise de localisation lisation au centre de contrôle ** Réseau spéci- - système pouvant servir pour les échanges fique d'an- de données et pour la localisation tennes mul- - très bonne précision (de l'ordre de 4 m) tiples MIMO * - nécessite une infrastructure dédiée et coûteuse (antennes multiples radio) dans le tunnel - zone de couverture moyenne (de l'ordre de 50 m) - au stade de R&D Nota : la cotation de l'adaptation des technologies aux tunnels canaux est faite de la façon suivante : : adaptation difficilement envisageable * : adaptation envisageable à moyen terme sous réserve de développements industriels ** : adaptation envisageable à court terme (expérimentations préalables à mener) *** : adaptation acquise 5.10.2 Bilan d'application aux tunnels canaux Il est envisageable de préconiser des solutions potentielles pour satisfaire le besoin de localisation des bateaux dans les tunnels canaux. Tout d'abord, il peut être judicieux de s'appuyer sur l'infrastructure de retransmission radioélectrique existante, à base de câbles rayonnants, pour développer une solution de localisation qui devrait suffire en terme de surveillance de la navigation dans les tunnels et en terme de précision (fonction de la longueur des tronçons de câble rayonnant). L'autre solution à base de guides d'ondes développée essentiellement pour les métros (système IAGO) paraît moins facilement transposable au domaine fluvial. Les solutions de localisation basées sur les réseaux de téléphonie mobile (GSM) et sur les réseaux informatiques sans fil (WiFi, ULB) dépendent fortement du niveau de déploiement de ces réseaux à l'intérieur des tunnels canaux, ce qui n'est pas encore une réalité, ni même au stade des projets matures. La localisation par RFID devrait se développer fortement pour le suivi multimodal du transport de fret, ce qui peut être une opportunité pour étudier ce type de solution dans le contexte du fluvial. Quant aux systèmes basés sur l'emploi de récepteurs GPS (pseudolites, répéteurs) ou sur des dispositifs spécifiques (ultrason, infrarouge, antennes MIMO), ils en sont encore pour l'essentiel au stade de la recherche et développement. 51

Par contre, des solutions éprouvées existent même si elles ne sont pas complètement satisfaisantes d'un point de vue de la précision ou de la continuité de la localisation dans un tunnel : il s'agit d'une part des caméras vidéo qui permettent aux contrôleurs de positionner les bateaux dans une section du tunnel tout en surveillant la navigation par l'exploitation des images et par des alertes déclenchées en cas d'évènements prédéfinis, et d'autre part des systèmes inertiels intégrés dans les bateaux pour le suivi par les navigants de leur localisation. Concernant la vidéo, le développement de nouveaux algorithmes de traitement d'images (parfois directement embarqués dans les capteurs sur la carte d'acquisition vidéo) est à ce sujet assez prometteur. 52

6. Moyens de détection des bateaux aux entrées des tunnels canaux Peu d ouvrages font référence à la détection de bateaux au voisinage des tunnels canaux. Pour la plupart des tunnels, il n y a pas de système de détection mis en place. L alternat est généralement géré par un temps alloué au bâtiment montant puis le basculement s opère pour l avalant. Différents moyens de détection, applicables aux entrées et à l intérieur des tunnels, peuvent être envisagés. Ces dispositifs, reliés à un moyen de transmission, permettent la visualisation, la gestion et le traitement des données de détection et ainsi, participent à la surveillance de la navigation. 6.1 Cellule photoélectrique 6.1.1 Principe de fonctionnement Une cellule photoélectrique est un dispositif composé d'un capteur photosensible, dont la résistance électrique varie lorsqu elle est soumise à un rayonnement lumineux (photorésistance, photodiode), et d'un circuit électrique. Elle peut servir à mesurer une intensité lumineuse, à actionner des dispositifs divers (éclairage automatique, store, portail, volet électrique, etc) ou à détecter un mouvement. Un rayon lumineux est émis entre l émetteur et le récepteur de la cellule, ce qui constitue un faisceau. Lorsque ce faisceau est interrompu par un mobile, la cellule envoie un signal au système de détection, ce qui génère une alarme. Pour minimiser le taux de fausses alarmes, on utilise souvent une configuration multi-faisceaux (et éventuellement à 2 longueurs d'onde). Employée en tant que détecteur, la cellule photoélectrique présente les avantages suivants : quel que soit le matériau de l objet (verre, métal, plastique, bois, etc.), la détection s effectue à l aide de la quantité de lumière reçue (changement de la quantité de lumière réfléchie), à grande distance, la détection peut se faire jusqu à 50 m selon le type de configuration (cf. paragraphe ci-dessous), elle fonctionne avec des temps de réponse courts (jusqu à 20 µs), elle peut différencier les couleurs. 6.1.2 Configurations d'emploi pour la détection Pour la détection, les cellules photoélectriques sont principalement utilisées suivant les trois modes de détection suivants : barrage, réflexion directe et reflex. La détection de type «barrage» (figure 22) s opère lorsque l objet à détecter traverse l axe entre l émetteur et le récepteur. Cette configuration permet : une distance de détection importante (jusqu'à 50 m), 53

la détection d objets opaques indépendamment de leur forme, de leur couleur et du matériau qui les composent, un faisceau puissant. D éplacem ent de la cible O nde ém ise Ém etteur R écepteur O bjet à détecter Figure 22. Capteur photoélectrique type barrage En réflexion directe (figure 23), l objet est détecté lorsque le faisceau émis en sa direction est renvoyé comme un écho et reçu par le capteur initial. Les caractéristiques d une telle configuration sont : Économie de place (un seul capteur est nécessaire), Pas de réglage de l axe émetteur/récepteur, Les objets transparents réfléchissants sont détectables, Différenciation des couleurs possible. Déplacement de la cible Onde émise Capteur ultrasonique Objet à détecter Onde écho Figure 23. Capteur photoélectrique type réflexion directe En mode reflex (figure 24), l objet est détecté lorsqu il traverse l axe optique (entre le capteur et le réflecteur). Cette configuration permet : Une installation dans des espaces de dimension réduite, 54

Un câblage simplifié, Une longueur de détection plus importante que les capteurs du type réflexion directe, Une facilité de réglage de l axe optique, La détection d objets opaques. Déplacement de la cible Onde émise Capteur ultrasonique Objet à détecter Réflecteur Figure 24. Capteur photoélectrique type reflex 6.1.3 Application aux tunnels canaux La cellule photoélectrique est un moyen simple, largement utilisé et à bas coût pour faire de la détection de passage. Elle peut être envisagée dans le cadre des tunnels canaux. 6.2 Barrière infrarouge 6.2.1 Présentation La barrière infrarouge (IR) est constituée d'une colonne émettrice qui génère les faisceaux et d'une colonne réceptrice qui les reçoit (Figure 25). Le passage d'un intrus dans le plan vertical de la barrière coupe les faisceaux et déclenche une alarme qui est enregistrée et retransmise à un centre de collecte. Les faisceaux sont directifs et très fins. La barrière infrarouge est constituée de deux colonnes de hauteur modulable de 1,10 à 5 m, à l'intérieur desquelles sont fixées les cellules infrarouge qui génèrent les faisceaux. Ceux-ci sont activés à la cadence de 1 ms par faisceau. Une cellule émettrice est en relation uniquement avec la cellule réceptrice correspondante (synchronisation). On obtient ainsi un balayage très rapide et une surveillance sur toute la hauteur de la colonne (multiplexage) sans interaction des faisceaux entre eux. L'alarme intrusion est activée lors de la coupure de un, deux ou trois faisceaux adjacents (selon la configuration choisie). 55

Figure 25. Principe des barrières infrarouges 6.2.2 Application aux tunnels canaux Le principe d'une barrière infrarouge est de créer une barrière immatérielle dans la largeur du tunnel. Il peut être envisagé d installer des barrières en entrée et en sortie de tunnel pour surveiller les entrées et les sorties des bateaux (Figure 26). Au niveau de la portée, la barrière infrarouge a une portée de 0 à 200 m. Figure 26. Principe d'installation d'une barrière IR Figure 27. Barrière IR La détection des bateaux à été mise en place dans le tunnel de Ruyaulcourt à l'aide de barrières infrarouge (de la société Leuze). Ce type de détecteur est placé à l'intérieur du tunnel (figure 27) et est relié au poste de supervision. Il s'agit d'un détecteur alimenté en tension entre 10 et 30 V et qui offre une portée jusqu'à 120 m. Le détecteur fonctionne à une fréquence de 100 Hz. L utilisation de barrières infrarouge nécessite la mise en place d une centrale d alarme sur le site (à l endroit où sont installés les points de contrôle) ainsi qu une supervision sur un site distant. Cette supervision permet via une connexion Ethernet de surveiller l ensemble des points de passage en temps réel, créant ainsi des compteurs virtuels. On peut également les associer à des caméras de vidéo-surveillance (Figure 28) au niveau des points de passage pour permettre, sur détection de passage des bateaux, de visualiser et d'enregistrer 56

les images. De la même façon que pour les barrières infrarouge, les caméras peuvent être reliées à un réseau de collecte afin de visualiser les images sur un site distant et permettre ainsi le contrôle de l ensemble des points de passages au niveau d un seul et même centre de contrôle. Une barrière IR peut également être associée à un système de comptage des bateaux. Figure 28. Système de surveillance des points de passages par barrières IR et caméras vidéo 6.3 Le détecteur laser 6.3.1 Présentation Le détecteur laser (Figure 29) est un dispositif de détection intrusion, qui permet non seulement la détection d un intrus dans la zone surveillée, mais aussi sa localisation précise (angle et distance). Il utilise la technique de télémétrie laser qui est une technique de mesure de distance éprouvée. La portée du détecteur laser varie de 5 cm à 200 m. Il est plus précis que la barrière infrarouge. Figure 29. Détecteurs laser Principe de fonctionnement : une zone de détection est créée dans un angle de l'ordre de 110 (Figure 30). Le principe de la mesure est le suivant : Emission d une impulsion laser, Réflexion de cette impulsion sur le bateau, 57

Réception et mesure du temps de propagation, Calcul de la distance. Figure 30. Zone de détection du laser 6.3.2 Application aux tunnels canaux Le détecteur laser pourrait être utilisé pour détecter le passage des bateaux à l'entrée et à la sortie des tunnels canaux, ou à l'intérieur des tunnels (figure 31). Il pourrait être associé à un logiciel de supervision pour visualiser sur une cartographie le passage des bateaux. La taille minimale de la zone de détection est à déterminer pour limiter le taux de fausses alarmes. Il est également possible de programmer la confirmation d'une détection sur 2 mesures consécutives (diminution du taux de fausses alarmes dues au passage des oiseaux en vol). La télémétrie laser permet d obtenir une détection d une très haute fiabilité tout en gardant un taux de fausses alarmes très faible. De la même façon que pour les barrières infrarouges, la mise en place de détecteur laser en entrée et en sortie d un tunnel nécessite la mise en place d une centrale d alarmes sur le site et d une supervision dans le centre de contrôle du tunnel. Cette supervision permettra via une connexion Ethernet de visualiser l ensemble des points de passages en temps réel. Il est possible également de lui associer un lever de doute par caméra vidéo et un suivi automatique du bateau sur la zone de détection. Figure 31. Montage type d'un détecteur laser et zone de détection 58

Il est à noter que sur le principe du laser existe une technologie encore plus évoluée que celle de la grille multi-faisceaux et de la télémétrie statique, à savoir la technologie du lidar. Ce dispositif qui est le pendant du radar dans le domaine de l'optique monochromatique, permet réellement de scanner l'espace en 3D par un balayage laser. Les avantages immédiats, au-delà du coût assez conséquent qui à ce jour est le facteur limitant, sont : une capacité de détection multi-objets, une restitution Doppler (donc des vitesses) en plus des positions, une meilleure restitution de la cinématique du mobile. 6.4 La caméra vidéo 6.4.1 Présentation La caméra vidéo permet la détection, la commande de barrières (péage, portail automatique, etc), la protection de sites sensibles mais aussi bien d autres applications dans le milieu industriel. Principe de fonctionnement : Le système vidéo détecte les mobiles entrant dans la zone de détection prédéterminée au moyen de divers algorithmes de traitement d'images successives (Figure 32). Il est possible de paramétrer des scénarios d alarmes et les masques de zones. Ces scénarios sont modifiables par les utilisateurs. Le système détecte les mouvements, analyse les comportements ou les mouvements selon ces scénarios. La portée de détection s étend de 0 à 100 m. Ces dispositifs sont déjà utilisés dans le contrôle du trafic routier et la détection d'incidents. Figure 32. Détection par caméra vidéo Exemples d'utilisation de la vidéo détection : La plupart des gestionnaires de tunnels routiers utilisent aujourd'hui la vidéo détection comme composant principal de leur système de sécurité, car cela permet : la détection en temps réel d'un événement : les alarmes sont la majeure partie du temps déclenchées avant qu'on puisse observer les conséquences sur le trafic, 59

une gamme étendue d'événements, du véhicule arrêté au piéton, et du contre sens à la détection de feu et de fumée, le contrôle et la validation en temps réel de l'incident grâce aux enregistrements vidéo pré et post incidents. On peut citer par exemple le système de vidéo détection d incidents développé et installé par Citilog dans le dernier tunnel de l A86 à l'ouest de Paris [34]. Il assure la sûreté et la sécurité des 10 km de tunnel et gère 700 entrées vidéos. La vidéo détection a également été expérimentée dans le métro de la ville de Lyon pendant près d'un an (solutions Open Wide Sisell [35]). Son objectif était d évaluer sur un site réel en exploitation, les fonctionnalités suivantes : détection de chute sur voie, analyse des échanges voyageurs, détection de stationnarité, caractérisation des mouvements de foule. Dans ce cadre, le train était détecté et positionné dans chaque image, puis sa position était pistée et fusionnée dans le repère de la station. 6.4.2 Applications aux tunnels canaux La caméra vidéo pourrait être utilisée pour détecter le passage des bateaux à l entrée et à la sortie des tunnels canaux, en y associant la transmission des images des bateaux vers un centre de contrôle. A remarquer que les caméras modernes utilisent des algorithmes intégrés directement dans le capteur, ce qui permet la détection in situ et ne nécessite pas, sauf si l'on souhaite conserver un retour d'images, de supports de transmission à grande bande passante, seuls les signaux d'alarme pouvant être retransmis. La caméra, située à l'entrée d'un tunnel, peut détecter un bateau à l'intérieur jusqu'à une vingtaine de mètres. Il faudra prévoir une caméra à infrarouge, voire un illuminateur, si on souhaite voir ce qui se passe à l intérieur du tunnel canal. En complément de ces installations de détection aux entrées et sorties des tunnels, des caméras positionnées à l intérieur des tunnels peuvent être utiles pour contrôler la progression des bateaux ainsi que les conditions de navigation et de sécurité dans les tunnels. Les caméras seront en noir et blanc avec des projecteurs infrarouge afin de permettre la visualisation dans les tunnels en cas de très faible éclairage. Le recours à des caméras sous-entend qu'un centre de surveillance armé par du personnel H24 reçoit les images de ces caméras ainsi que les alarmes associées en cas de détection d'un événement prédéfini. Afin de soulager la charge du personnel de surveillance, il est judicieux de prévoir un système de détection automatique d'incidents à partir du traitement des flux vidéos. 60

6.5 Le détecteur de mouvement 6.5.1 Présentation Le détecteur de mouvement est un dispositif technique qui change d'état en présence d'un objet ou d'une personne pénétrant dans sa zone de détection. Il peut être utilisé pour détecter le passage des bateaux dans les tunnels. Certains détecteurs de mouvement (souvent associés aux systèmes de détection d'intrusion) appelés IRP (pour Infra Rouge Passif), utilisent le rayonnement infrarouge émis par l'ensemble des objets du local surveillé (y compris les murs). La pénétration d'un individu provoque une modification du rayonnement. Lorsque cette modification est constatée sur plusieurs faisceaux, un contact électrique envoie une information d'alarme à la centrale. Une autre technologie fréquemment déployée est la détection par hyperfréquences, qui permet de discerner, grâce à des ondes radars, n'importe quel objet en mouvement par effet Doppler. Une tendance forte dans le domaine de la détection intrusion consiste à combiner les deux technologies, infrarouge et hyperfréquences dans un même détecteur, afin de mieux discerner les événements à détecter et réduire le taux de fausse alarme. 6.5.2 Application aux tunnels canaux L'utilisation de détecteurs de mouvement dans un tunnel canal a déjà été mise en œuvre. Par exemple, dans le tunnel de Pouilly-en-Auxois situé sur le canal de Bourgogne, des détecteurs sont positionnés de façon à éclairer les puits du tunnel dès qu'ils détectent le passage d'un bateau. Comme le montre la figure 33, chaque détecteur est relié à un puits (le puits fait la jonction entre l'extérieur du tunnel et l'intérieur). Le détecteur permet la commande automatique d'une source lumineuse par détection de mouvement dans sa zone de surveillance. Il s'agit d'un détecteur étanche 360, qui peut détecter la présence du bateau sur une distance de 8 m. Figure 33. détecteur de mouvement relié à un puits 61

6.6 Détection par boucle inductive 6.6.1 Présentation Pour le suivi du trafic routier, la détection des véhicules se fait en général par l intermédiaire d une boucle inductive noyée dans la chaussée. La boucle inductive est constituée de plusieurs spires d un fil conducteur raccordé via un câble de liaison au détecteur. Cette boucle est la partie inductive d'un circuit oscillant entretenu et contenu dans le détecteur. Lorsque un véhicule passe à la verticale de la boucle, ses parties métalliques en mouvement modifient l'inductance de la boucle, ce qui fait varier les caractéristiques de l'oscillation. Ceci permet de repérer précisément quand le véhicule entre et quand il sort de la zone de détection. Le câble à utiliser pour réaliser la boucle peut être du mono conducteur multibrins de 1,5 mm2 ou bien un câble multi-conducteurs non blindé dont on raccorde les brins de manière à réaliser plusieurs spires tournant dans le même sens d enroulement. Afin qu une boucle s accorde avec le détecteur magnétique auquel elle est raccordée, elle doit être réalisée en tenant compte de la valeur de certains paramètres, à savoir : type de câble utilisé, périmètre de la boucle, nombre de spires constituant celle-ci, distance boucle / détecteur (feeder). Des précautions sont à prendre pour éviter tout câble de puissance, câble électrique ou de communication dans l environnement immédiat de la boucle et le long de son câble de liaison. Il existe deux types d emploi de la boucle inductive : détection uniquement magnétique : c'est une détection passive, utilisée classiquement pour le comptage des véhicules, détection sélective : c'est une détection active mettant en œuvre un système émetteur/récepteur. Dans ce cas, la boucle est utilisée comme antenne de réception d un signal émis par un émetteur embarqué sur les véhicules que l'on souhaite détecter : bus, véhicules prioritaires, flottes particulières de véhicules, 6.6.2 Application au tunnels canaux Le recours à la boucle inductive dans les tunnels canaux pour la détection de passage des bateaux est tout à fait envisageable. Un exemple d'application a été donné dans le cadre de l'automatisation des écluses de petit gabarit, où VNF associé au a expérimenté un système appelé SCUO (Système de Communication Usager-Ouvrage), qui permet notamment de détecter et d'identifier les bateaux lors de la traversée d'une écluse. Ce système comprend une détection par boucle inductive du passage des bateaux dans l'écluse. 62

Dans cet exemple, pour la traversée d'un ouvrage dans des conditions de réactivité et de sécurité suffisantes, on met à la disposition des bateliers un terminal TPE (Terminal Portable Embarqué) qui leur permet de dialoguer avec l'automate pour le déclenchement de la bassinée et ainsi de franchir l'écluse sans assistance (Figure 34). En cas de danger grave, une touche alarme peut être actionnée sur le TPE. Chaque TPE étant nominatif, les informations échangées permettent d'identifier immédiatement le bateau concerné. Figure 34. Le terminal TPE Le terminal TPE communique avec la base de l'automatisme de l'écluse au moyen d'une liaison WiFi à 2,4 GHz. Deux antennes directives placées à l'amont et à l'aval de l'écluse, sont reliées à un PC de supervision. Lorsque le TPE s'approche de l'écluse, à partir d'une distance de 300 m, il est automatiquement détecté par la liaison Wi-Fi, ce qui permet la communication entre le terminal et la base et l'identification du terminal. Lorsque le bateau pénètre dans le sas de l'écluse, il est détecté par une boucle inductive, ce qui entraîne l'émission d'un signal radio à 433 MHz et la transmission par le terminal TPE de son identifiant permettant ainsi au système d'identifier le bateau qui passe. Lorsque le bateau sort du sas, une boucle inductive permet à nouveau de détecter son passage. La figure 35 illustre le principe de l'installation. Pour la détection des bateaux dans les tunnels canaux, il pourrait être envisagé de s'inspirer de ce système, en plaçant une ou plusieurs boucles inductives dans les tunnels. 63

Figure 35. Détection de passage d'une écluse par boucle inductive Ce système est largement éprouvé en terme de fiabilité, de performance et de durabilité en milieu routier pour la détection de présence et la mesure de vitesse, voire le positionnement des véhicules sur la chaussée (on utilise alors des doubles boucles, voire un réseau de boucles). De surcroît, le système peut permettre la reconnaissance de silhouettes (et donc la discrimination de plusieurs classes de mobiles) et la détection de contresens. 6.7 Synthèse et bilan d'application dans les tunnels canaux Le tableau suivant recense les principaux avantages et inconvénients des différentes technologies de détection présentées dans ce chapitre. Ces technologies sont largement éprouvées, aussi elles peuvent être mises en œuvre dans la plupart des tunnels canaux, après prise en compte des exigences de détection et des conditions locales d'implantation et d'environnement. Nota 1 du tableau : la cotation de l'adaptation des technologies aux tunnels canaux est faite de la façon suivante : : adaptation difficilement envisageable * : adaptation envisageable à moyen terme sous réserve de développements industriels ** : adaptation envisageable à court terme (expérimentations préalables à mener) *** : adaptation acquise Nota 2 du tableau : la cotation de coût (investissement matériels) est faite avec les valeurs suivantes : - solution bas coût : < 10 k - solution à coût moyen : 20 k - 40 k - solution à coût élevé : > 50 k 64

Technologie de détection de passage Avantages Inconvénients Adaptation aux tunnels canaux Capteur photo- - plusieurs configurations possibles (fonc- - fiabilité de détection variable en fonction électrique tion de la distance de détection, des condi- des caractéristiques de réflexion du mobile tions locales et des types de mobiles à et de la configuration choisie détecter) - portée de détection jusqu'à 50 m - solution à bas coût *** Barrière infrarouge *** - portée de détection jusqu'à 200 m - solution déjà utilisée dans certains tunnels canaux - peut servir pour la fonction de comptage des bateaux - solution à coût moyen - nécessite installation d'une colonne (émettrice ou réceptrice) sur chaque bord du canal - sensibilité au brouillard Détecteur laser - permet la détection et la localisation dans - solution à coût élevé la zone surveillée - sensibilité aux perturbations climatiques - zone de surveillance étendue (surface - mise en œuvre délicate comprise dans un angle de 110 et de rayon de 180 m) - portée de détection jusqu'à 200 m *** Vidéodétection - permet d'associer la détection des bateaux - solution à coût élevé avec le suivi des déplacements, la détection - sensibilité aux perturbations climatiques d'autres événements et l'enregistrement de scènes filmées pour exploitation temps réel ou a posteriori - zone de surveillance étendue (volume compris dans le champ de vision de la caméra) - portée de détection jusqu'à 100 m *** Détecteur de mouvement (infrarouge passif, hyperfréquences) - portée de détection linéaire (jusqu'à 150 m) ou volumétrique (jusqu'à 40 m) en infrarouge - capteur hyperfréquences capable de discerner n importe quel corps en mouvement qu il soit chaud ou froid - fiabilité améliorée en combinant les deux technologies dans le détecteur - solution à bas coût - portée de détection volumétrique de 20 m en hyperfréquences - taux de fausses alarmes variable selon la technologie employée - fiabilité moyenne avec une seule technologie - sensibilité aux perturbations climatiques *** Détecteur à Boucle inductive - possibilité d'associer la détection à la - longueur de boucle limitée (de l'ordre de réception d'un signal radio identifiant un 25 m) bateau (avec terminal radio embarqué) - sensibilité aux masses métalliques - solution à bas coût - risque de perturbations électromagnétiques sur la boucle *** 65

7. Conclusion Cette étude a cherché à recenser les moyens de télécommunications et de détection pouvant être utilisés pour améliorer la sécurité de la navigation fluviale lors du franchissement des tunnels canaux. Elle a aussi réalisé une prospective des technologies aptes à effectuer la localisation des bateaux dans les tunnels, qui comprend notamment les technologies innovantes en cours d'études et de recherches pour permettre le positionnement continu des mobiles dans les environnements confinés. Parmi les moyens de télécommunications recensés, le câble rayonnant de par ses performances et ses caractéristiques techniques (installation simple, résistance au temps, à la corrosion) est particulièrement adapté pour assurer les retransmissions des signaux radioélectriques en milieu confiné. Actuellement, c'est le moyen le plus couramment utilisé dans les tunnels routiers ou ferroviaires, et aussi dans les tunnels canaux équipés (par exemple à Pouilly-en-Auxois). Le câble rayonnant permet de transporter des signaux dans une large gamme de fréquences (de la VHF à la UHF jusqu à 1 GHz), convenant parfaitement aux fréquences utilisées par les réseaux radioélectriques des services de secours (pompiers, police, gendarmerie) et pour les services de radiocommunications maritimes. Cependant, aux fréquences très élevées (au-delà de 1 GHz), les pertes dans le câble deviennent très importantes et il sera remplacé par des antennes ou des guides d'ondes à fentes. Le guide d ondes à fentes (système IAGO) est principalement utilisé dans les tunnels ferroviaires pour des communications voix et données et pour la localisation des trains. Son emploi en tunnel canal semble plus délicat et nécessiterait au préalable des études de faisabilité pour l'évaluation de ses performances et les conditions d'installation. Les antennes sont bien adaptées pour la transmission des signaux de téléphonie mobile (réseaux cellulaires GSM et 3G). Mais, compte tenu des zones d ombres et d effets de masque au droit des bateaux, leur utilisation dans les tunnels canaux à gabarit réduit ne semble pas recommandée pour les tunnels dont la longueur est supérieur à 1 km. Lorsqu il est possible d utiliser des antennes pour la transmission des signaux GSM dans les tunnels canaux, alors il convient de choisir des antennes directives afin d augmenter la portée de la transmission des signaux. Pour le suivi de la navigation sur les voies fluviales comprenant des tunnels canaux, il est envisageable de détecter le passage des bateaux dans les zones d'approches situées près des entrées et sorties des tunnels, voire à l'intérieur des tunnels, par différents moyens de détection, tels que les détecteurs photoélectriques, les barrières à infrarouge, les détecteurs laser, les caméras vidéos, les détecteurs de mouvements ou des boucles inductives. Chaque technologie, de par ses caractéristiques, présente des avantages et inconvénients, aussi leur choix pourra être fait après une étude de faisabilité prenant en compte les caractéristiques de la voie d'eau, l'environnement immédiat des tunnels, les conditions climatiques, les conditions locales d'installation, ainsi que les besoins d'exploitation et de surveillance. Pour la localisation des bateaux dans les tunnels, l'étude a décrit différentes technologies et systèmes de localisation développés pour la localisation de personnes et d'objets en situation de mobilité dans des environnements confinés. Certaines solutions potentielles semblent assez matures pour être utilisées dans le contexte des tunnels canaux. Ainsi, il peut être judicieux de s'appuyer sur l'infrastructure de retransmission radioélectrique existante, à base de câbles rayonnants, pour développer une solution de localisation qui devrait suffire en terme de surveillance de la navigation dans les tunnels et en terme de précision (limitée au tron66

çon de câble rayonnant de proximité, soit environ 500 m). Les caméras vidéo peuvent également être envisagées pour cela et elles permettent en plus aux contrôleurs de surveiller la navigation par les images et par des alertes déclenchées en cas d'évènements. A bord des bateaux, des systèmes inertiels intégrés remplaceront efficacement les récepteurs GPS durant la traversée des tunnels pour le suivi continu par les navigants de leur positionnement. Parmi les technologies innovantes, la localisation par RFID devrait se développer fortement pour le suivi du transport intermodal des marchandises, ce qui peut être une opportunité pour étudier ce type de solution dans le contexte du fluvial. Les autres solutions de localisation, basées sur les réseaux de téléphonie mobile (GSM, 3G), les réseaux informatiques sans fil (WiFi, ULB), l'emploi de récepteurs GPS (pseudolites, répéteurs) ou sur des dispositifs spécifiques (ultrason, infrarouge, antennes MIMO), ne semblent pas assez matures pour leur déploiement à court terme dans le contexte des tunnels canaux, car soit elles dépendent du niveau de déploiement de ces réseaux à l'intérieur des tunnels, soit elles en sont encore au stade de la recherche et développement. 67

8. Annexes Annexe 1 : Carte des tunnels canaux sur le réseau des voies navigables de VNF Annexe 2 : Géolocalisation par GPS Annexe 3 : Retransmission radioélectrique dans les tunnels de Ruyaulcourt et de Pouillyen-Auxois Annexe 4 : Exemples d'antennes Annexe 5 : Technologie RFID : normalisation et caractéristiques d'utilisation Annexe 6 : Références documentaires 68

Annexe 1 : Carte des tunnels canaux sur le réseau des voies navigables de VNF 69

Annexe 2 : Géolocalisation par GPS Le GPS est basé sur une constellation de 30 satellites actuellement opérationnels, régulièrement répartis sur 6 orbites circulaires inclinées à 55 degrés sur le plan équatorial à environ 20000 km d'altitude. Cette répartition spatiale garantit la visibilité d au moins 6 satellites en permanence et en tout point du globe. Chaque satellite possède une horloge atomique maintenue à 7 ms du temps UTC (Temps Universel Coordonné) et émet en continu un signal radio sur deux fréquences (1.2 GHz et 1.5 GHz) que tout utilisateur muni d'un récepteur adéquat peut capter. Pour localiser un point M de la surface du globe, il est nécessaire de réceptionner les signaux de 3 satellites GPS. Chaque satellite envoie son numéro d'identification, sa position précise par rapport à la terre, ou dans le repère lié à Greenwich, l'heure exacte d'émission du signal. Le récepteur GPS, grâce à son horloge synchronisée sur celle des satellites, calcule donc le temps de propagation à la vitesse de la lumière et en déduit la distance au satellite (Figure 36). Satellite 1 Satellite 2 M Satellite 3 Figure 36. Principe de la localisation par GPS Si les positions des satellites sur leurs orbites sont connues avec suffisamment de précision (Ephémérides) et si un récepteur capte au moins 3 satellites, il dispose donc de trois données qui lui permettent de résoudre les trois inconnues définissant sa position : la latitude, la longitude et l'altitude. Une quatrième inconnue est le décalage de temps entre les horloges internes des satellites et celles des récepteurs. En toute rigueur, il faut donc recevoir au moins quatre satellites pour se positionner par GPS. 70

Annexe 3 : Retransmission radioélectrique dans les tunnels de Ruyaulcourt et de Pouilly-en-Auxois A3.1 Dispositif de retransmission radio du tunnel canal de Ruyaulcourt Le tunnel canal de Ruyaulcourt (4350 mètres de longueur) situé sur le canal du Nord, permet aux bateaux, jusqu à gabarit spécifique de 850 tonnes, de passer du bassin de la Somme au bassin de l Escaut. Le 11 mai 2007, un avis à la batellerie a fait savoir aux mariniers qu ils pouvaient joindre par radio le poste de Contrôle et de Commandement du tunnel en utilisant leur radio VHF lorsqu ils se trouvent dans le tunnel. Cette ouverture de l espace confiné du tunnel vers l extérieur par les ondes radio est rendu possible grâce à l installation d'un câble rayonnant suspendu tout au long de la voûte. Figure 37. Câble rayonnant posé dans le tunnel de Ruyaulcourt L ouverture de l espace hertzien à l'intérieur du tunnel comprend aussi : Les communications radio de l exploitant (subdivision de Cambrai) Les communications radio des pompiers Réseaux radio retransmis dans le tunnel : Pompiers : 1 canal duplex en 80 MHz Exploitant : 1 canal duplex en 150 MHz Bateaux : 1 canal duplex en 150 MHz Extensions prévues pour le réseau ANTARES des pompiers (400 MHz) 71

Architecture : Une station de capture est installée à l extérieur du tunnel, comprenant : Pylône et antennes, Émetteurs et récepteurs, Couplages optiques. Le dispositif de capture est le point de contact du dispositif radio avec l extérieur. Il s agit de récupérer et de traiter des signaux provenant de l extérieur (stations de radiodiffusion) afin de les envoyer vers le tunnel. Trois stations amplificatrices sont installées en tunnel dans des niches latérales fermées. Ces stations possèdent : amplificateurs large bande, énergie de secours, couplages optiques, bornes répondeuses. La borne répondeuse : il s agit d une base de radiotéléphone simulant un mobile en tunnel. Elle est appelée sur un canal radio par un opérateur extérieur. La réponse reçue par cet opérateur correspond à un bon fonctionnement du dispositif de retransmission radio. Energie de secours : il est nécessaire d avoir une énergie de secours dans le local. La puissance est d une centaine de watts à 1,5 KVA suivant le nombre d équipements. Le local radio ne dispose pas d énergie de secours pour : l éclairage, le chauffage, la ventilation. Il possède par contre une énergie de secours pour les équipements radio, qui est assurée par batteries et onduleurs. Le dispositif d amplification intérieur est composé de une ou plusieurs cellules radio suivant la longueur du tunnel. Chaque cellule comporte des équipements actifs qui sont identiques d une cellule à l autre. Ces équipements actifs traitent les signaux qui sont issus de la station de capture, ils sont ensuite amplifiés (amplificateur large bande) avant d arriver sur le câble rayonnant. Six tronçons de câbles rayonnant de 600 à 800 mètres de longueur sont suspendus en voûte. La supervision du dispositif se trouve au Poste de Contrôle et de Commandement du tunnel : Écran de supervision, Unité centrale, Logiciel de gestion et d affichage des alarmes. Le transport des informations est assuré par des fibres optiques logées dans les fourreaux ou au fond du canal : Réseau Ethernet pour la supervision, Spectre radio pour les communications. Lorsqu un bateau émet un signal dans le tunnel, ce dernier est alors récupéré par le câble rayonnant qui se charge de le transmettre à la baie radio. La baie radio retransmet alors ce signal sur une liaison par fibre optique permettant ainsi d atteindre la station de surface et par conséquent l antenne VHF. 72

Tous ces équipements constituent le «dispositif de retransmission des radiotéléphones de sécurité du tunnel». Le coût de réalisation de projet a été de l'ordre de 620 K. La figure ci-dessous représente l'architecture radio qui a été mise en place afin d'assurer une retransmission des communications radio du tunnel de Ruyaulcourt. Figure 38. Plan synoptique des installations radio du tunnel de Ruyaulcourt sur le canal du Nord 73

A3.2 Dispositif radio du tunnel canal de Pouilly-en-Auxois Depuis sa mise en service en 1832, le tunnel de Pouilly-en-Auxois avec sa voûte de 3348 mètres de longueur permet de passer du versant Yonne au versant Saône du canal de Bourgogne. Le tunnel canal est un espace critique car il n'y a pas d échappatoire (le tunnel est construit sans banquette, il n y a pas de lumière et la ventilation est réduite). Pour permettre une intervention des secours dans ce tunnel, des dispositifs ont été installés afin de retransmettre les radiocommunications des pompiers. Le coût de réalisation ce projet a été de l'ordre de 660 K. Réseaux radio retransmis dans le tunnel : Pompiers : 1 canal duplex en 80 MHz Exploitant : 1 canal duplex en 150 MHz Bateaux : 1 canal duplex en 150 MHz Extensions prévues pour le réseau numérique ANTARES des pompiers 400 MHz Supervision : Un pupitre de contrôle de fonctionnement est installé à l écluse de Pouilly. C est un écran qui liste les alarmes et les affiche en temps réel. L acheminement des alarmes se fait par voie radio. Figure 39. Pupitre de supervision à l écluse de POUILLY Architecture : Trois locaux radio sont implantés à l extérieur du tunnel : Une station extérieure avec pylône radio assurant aussi la retransmission pour la cellule centrale du tunnel, Deux stations secondaires d extrémités sont reliées par fibres optiques à la station de capture. 74

Six tronçons de câbles rayonnants sont dans ce tunnel avec des longueurs qui varient de 300 à 800 mètres. L alimentation en énergie de ces locaux est faite par un câble énergie qui suit le cheminement des câbles fibres optiques avec élévation de tension pour le transport entre locaux. Figure 40. Extrémité du forage et ses 3 fourreaux : câbles fibres optiques,câbles coaxiaux et câbles énergies 75

Plan synoptique des installations radio du tunnel de Pouilly en Auxois 76

Annexe 4 : Exemples d'antennes 77

78

Annexe 5 : Technologie RFID : normalisation et caractéristiques d'utilisation A5.1. Normes et standards Normes techniques : Couche physique : AFNOR/ISO SC31 disponible depuis septembre 2004, chacune des normes gère l anticollision (procédé permettant aux tags RFID de répondre chacun successivement en évitant les superpositions de communications radio) : ISO 1800-1 norme générique ISO 1800-2 f<135 khz ISO 1800-3 13,56 MHz ISO 1800-4 2,45 GHz ISO 1800-6 860 à 930 MHz ISO 1800-7 433 MHz en tag actif Identification : ISO 15963 Syntaxe des données : ISO 15961 et 15962 Vocabulaire : ISO 19762 Normes applicatives : ISO 1800-2 identification animale, norme applicative ISO 11784/84 et ISO14223 ISO 1800-3 industrie logistique ISO 15693 ISO 1800-4 traçabilité ISO 1800-6 approvisionnement traçabilité ISO 1800-7 433 MHz en tag actif, traçabilité des containers ISO 17363 A5.2. Les différents modes de tags RFID et leurs applications Le tableau 1 recense les divers modes des tags et leurs caractéristiques afin de cibler leurs domaines d application (source : ARATEM Pôle traçabilité). Tag RFID Actif Batterie dans le tag Alimentation Disponibilité du signal tag Permanent à 30 m Semi-actif Passif Batterie pour la puce. Pour la Pour la transmission des transmission des ondes radio, ondes radio et de la puce, l énergie est fournie par le lecteur l énergie est fournie par le lecteur Dans le champs du lecteur uni- Dans le champs du lecteur quement uniquement et à moins de 3 m 79

Puissance du signal du tag Puissance du signal requise par le lecteur Applications Elevée Faible Très faible Très faible Faible Très élevée Suivi de marchandises de valeur nécessitant une lecture Pour des lectures se faisant à longue distance courtes distances Tableau 1. Les différents modes A5.3. Caractéristiques d'emploi des tags en fonction des fréquences d'émission Le tableau ci-dessous dresse un aperçu des caractéristiques des tags RFID par fréquence de communication (source : ARATEM Pôle traçabilité). LF HF Fréquences < 135 khz 13.56 MHz Capacité de don- De 64 bits lecture seul à Classiquement tags lecnées 2kbits lecture-écriture ture-écriture avec 512 bits de mémoire (max: 8kbits partitionnés) UHF 433 MHz et 863 à 915 SHF MHz 2.45 GHz Classiquement tags lecture- De 128 bits à 32 kbits écriture avec 32 bits de partitionnés mémoire (max: 4kbits partitionnés en 128 bits) Produits dispon- Read-only et read/write Read-only et read/write ibles Read-only et read/write Read-only et read/write, télé-alimenté et batterie assistée Transfert de don- Faible taux de transfert: Environ 25 kbits/s en nées inférieur à 1 kbits/s général (existe en 100 (~200 bits/s) kbits/s) Environ 28 kbits/s Généralement < à 100 kbits/s mais peut aller jusqu'à 1 Mbits/s Distance de lec- Typiquement du contact Pour les tags télé-alimen- Pour les tags télé-alimentés Quelques dizaines de ture à 0.5 m pour les tags tés de l'ordre du mètre de l'ordre du mètre (pour le centimètres pour les télé-alimentés, sinon ~ 2 433 MHz ~ 10 m) passifs et quelques m dizaines de mètres pour les actifs Mode de lecture Les versions lecture Les versions lecture unique et lectures mul- unique et lectures multiples sont disponibles tiples sont disponibles Lecture unique et lectures Lecture unique et lecmultiples, omnidirection- tures multiples nelles Domaine de - 40 à + 85 C avec un - 25 à + 70 C Variable fonctionnement packaging classique Moins sensible aux pertur- Attention aux autres sysbations éléctro-magnétèmes UHF à proximité tiques industriels que les LF Applications Processus de fabrication Suivi de flotte de véhiidentification de véhi- cules cules et de containers Bagages Librairie Contrôle d'accès Service de location Identification animale Laveries automatiques Logistique - 25 à + 70 C Réfléchie par le métal, absorbée par l'eau Logistique Automatisation d'ensuivi de flotte de véhicules treprises Contrôle d'accès Logistique militaire Péage automatique Tableau 2. Caractéristiques des différents tags 80

Annexe 6 : Références documentaires [1] VNF: fascicule de recommandations techniques pour la sécurité des tunnels canaux. Version 4 du 15/07/2008. [2] Directive SIF (River Information Services) de la commission européenne [3] et VNF : Les repères Tunnels canaux (fascicule 1) «surveillance, entretien et réparation» Janvier 2002 [4] INRETS Marion BERBINEAU Les systèmes de télécommunication existants ou émergents et leur utilisation dans le monde des transports guidés Avril 2005 [5] : retransmission radio dans les tunnels canaux Octobre 2008 [6] http://www.itas.fr/fiches/cables_rayonnants/ca-ra-fiche1.htm - câbles rayonnants [7] http://fr.wikipedia.org/wiki/antenne_radioelectrique Antennes radioélectriques [8] OCELO : Objets communicants Expérimentations technologiques et spécifications - rapport ICP Avril 2006 SP20 : mise en oeuvre de la localisation en intérieur [9] La géolocalisation Juin 2003 [10] Thèse de Frédéric Evenou : Techniques et technologies de localisation avancées pour terminaux mobiles dans les environnements indoor Janvier 2007 [11] http://www.wi-fiplanet.com/news/article.php/3514051 WiFi Positioning System [12] INRETS : revue A X E S - F é v r i e r 2 0 0 8 - n 3 4 WPS : WLAN Positioning System [13] http://pro.01net.com/editorial/374375/la-geolocalisation-wi-fi-monte-en-puissance/ - Géolocalisation par WiFi [14] http://www.polestar.eu/fr/node/70 Pole Star : Indoor Location Technologies [15] OCELO : Objets communicants Expérimentations technologiques et spécifications - rapport ICP Avril 2006 SP41 : localisation en RFID [16] http://www.filrfid.org/article-5486372.html - Tags actifs RFID [17] http://www.silicon.fr/fr/silicon/news/2005/05/13/klm-airbus-adoptent-marquage-rfid [18] http://www.filrfid.org/article-24017505.html Traçabilité RFID des conteneurs à bagages à l'aéroport Paris CDG [19] http://www.telecom.gouv.fr/fonds_documentaire/rapports/07/panorama_strategique.pdf - Etude sur les étiquettes électroniques RFID et la traçabilité des objets [20] http://www.filrfid.org/article-909444.html Solution RTLS Wherenet (RFID) adoptée par BMW [21] http://www.savi.com/about/press-releases/2007-06-05.php Real-Time Information Pilot on Cargo Shipped From Shanghai to Savannah [22] http://www.cea-technologies.com/articles/article/493/fr Localisation de victimes d'avalanche par ULB [23] infoscience.epfl.ch/record/109412/files/xyz_111_vr.pdf - Techniques de localisation intra-muros à transmission Ultra Large Bande 81

[24] http://www.ubisense.net/pdf/fact-sheets/products/software/precise-location-en090624.pdf Ubisense UWB location system [25] Indoor navigation with pseudolites (fake GPS sat.) - Thèse de Rikard Eriksson et Vlad Badea [2005] [26] http://www.groupe-atis.com/champrea.htm - ATIS Réalisation : propagation en milieux confinés [27] http://www.gpsworld.com/wireless/indoor-positioning/indoor-message-system-evaluated-7168 Indoor Messaging System [28] La localisation en intérieur à l'aide de répéteurs GPS : vers un système de positionnement universel? - Nel SAMAMA (Navigation) UBIMOB'05, Grenoble, 31 mai - 2 juin 2005, France [29] http://www.cl.cam.ac.uk/research/dtg/research/wiki/batsystem - The Bat Ultrasonic Location System [30] http://cricket.csail.mit.edu/#overview - The Cricket Indoor Location System [31] http://www.cl.cam.ac.uk/research/dtg/attarchive/ab.html The active badge System [32] http://www.icom-france.com/files/doc-dati-fr.pdf Système DATI [33] "Indoor Positioning Using Ceiling Based Antenna Array" - V. Ranki, A. Kainulainen, K. Kalliola, H. Kauppinen, Proceedings of European Navigation Conference (ENC-GNSS 2008), Toulouse, France, April 23-25, 2008. [34] http://www.citilog.com/fr/products/mediatunnel.html - MediaTunnel : un système de Détection Automatique d Incidents (DAI) dédié aux tunnels routiers [35] http://www.sisell.com/solutionsmetro.html Solutions de vidéosurveillance pour les transports ferroviaires 82

Glossaire ACROPOL : nom donné au réseau radioélectrique de la police nationale AIS (Automatic Identification System) : Système d'identification automatique est un système d échanges automatisés de messages par liaison radioélectrique VHF destiné aux navires ANTARES : nom donné au réseau radioélectrique des sapeurs-pompiers ARGOS : système mondial de localisation et de collecte de données géopositionnées par satellite BSC (Base Station Controller) : Contrôleur de Station de base est une station de contrôle utilisée dans les réseaux de téléphonie mobile à la norme GSM. BTS (Base Transceiver Station) : Station de base du système cellulaire de téléphonie mobile GSM, appelée plus communément antenne-relais GSM. Elle est en charge de la liaison radioélectrique avec les équipements mobiles. DATI (Dispositif d'alerte du Travailleur Isolé) : système de communication proposé par la société ICOM DOPPLER : L effet DOPPLER est le décalage de fréquence d une onde acoustique ou électromagnétique entre la mesure à l émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l émetteur et le récepteur varie au cours du temps. FDM (Frequency Division Multiplexing) : technique de multiplexage par répartition de fréquence, ce qui permet de combiner plusieurs signaux pour les transmettre sur un même support de transmission. FM (Frequency Modulation) : la radio FM désigne la radiodiffusion de programmes radiophoniques en modulation de fréquence dans la gamme des très hautes fréquences (VHF). La bande réservée à cet effet (87,5 108 MHz) est souvent appelée «bande FM» FRT : Fascicule de Recommandations Techniques élaboré par VNF pour la sécurité des tunnels canaux 3G : désigne la norme pour les réseaux de téléphonie mobile de troisième génération, qui permet des échanges de données à haut débit GPRS (General Packet Radio Service) : norme pour la téléphonie mobile dérivée du GSM permettant un débit de données plus élevé. GPS (Global Positioning System) : principal système de positionnement par satellites mondial actuel, développé et contrôlé par les Etats-Unis GSM (Global System for Mobile Communication) : norme numérique de seconde génération pour les réseaux de téléphonie mobile HF (High Frequency) : désigne les ondes radioélectriques dont la fréquence est comprise entre 3 MHz et 30 MHz. IAGO (Informatisation et Automatisation par Guide d Ondes) : système conçu par l'inrets pour les communications entre les trains et le centre de contrôle dans les tunnels ferroviaires 83

IMES (Indoor Messaging System) : système de géolocalisation en environnement intérieur développé par l'agence japonaise JAXA INPT (Infrastructure Nationale Partageable des Transmissions) : réseau radioélectrique national dédié aux services de sécurité civile et géré par le ministère de l'intérieur IPS (Indoor Positioning System) : système de géolocalisation en environnement intérieur de la société ATIS Réalisation IR (Infra-Rouge) : désigne un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes. IRP (Infra Rouge Passif) : désigne les détecteurs de mouvements qui utilisent le rayonnement en infrarouge émis par l'ensemble des objets du local surveillé pour détecter la pénétration d'un individu. MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) : technique utilisée pour les réseaux sans fil et permettant des transferts de données à plus longue portée et à plus grande vitesse NLOS (Non-Line-Of-Sight) : désigne une liaison radioélectrique établie au travers d'un chemin partiellement obstrué par des obstacles (immeubles, arbres, collines,..). Il n'y a pas dans ce cas de vue directe entre les deux antennes d'émission/réception. PDA (Personal Digital Assistant) : désigne un appareil numérique portable. PTI : dispositif de Protection du Travailleur Isolé RFID (Radio Frequency IDentification) : technologie d identification d'objets ou de personnes permettant de mémoriser et récupérer des données à distance en utilisant des marqueurs appelés «radio-étiquettes» (ou «tag» ou «transpondeur») SIF : Services d'information Fluviaux TPE : Terminal Portable Embarqué VHF (Very High Frequency) : désigne la partie du spectre radioélectrique s'étendant de 30 MHz à 300 MHz, UHF (Ultra High Frequency) : désigne la bande du spectre radioélectrique comprise entre 300 MHz et 3 GHz, ULB (Ultra Large Bande) : technologie de transmission radioélectrique qui utilise un large spectre de fréquences avec de très faibles niveaux d'énergie pour des communications à haut débit et à courte portée Wi-Fi : technologie de transmission radioélectrique permettant de relier des appareils informatiques (ordinateur, routeur, assistant personnel PDA, décodeur Internet, etc.) à un réseau sans fil à haut débit WPAN (Wireless Personal Area Network) : désigne les réseaux sans fil de faible portée (de l'ordre de quelques dizaines de mètres) WPS (Wi-Fi Positioning System) : technologie de géolocalisation d'utilisateurs mobiles équipés d'un terminal Wi-Fi, basée sur l'exploitation des signaux émis par les points d'accès Wi-Fi de proximité. 84