Principales techniques et technologies de positionnement

10/05/2013
Auteurs :
Publication REE REE 2012-3 Dossier La Géolocalisation
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-3:4247

Résumé

Principales techniques et technologies  de positionnement

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REE N°3/2012 ◗ 71 La géolocalisation Nel Samama Institut Mines-Télécom Introduction Les communautés scientifique et industrielle consi- dèrent qu’il est tout à fait important de fournir une continuité à la fonction de localisation, à travers les divers environnements susceptibles d’être rencontrés par les personnes ou les biens [1], et ont développé quelques techniques pour y parvenir. Il est possible de citer par exemple : • les réseaux de capteurs ; • les réseaux locaux sans fil (WLAN) ; • les réseaux mobiles de télécommunications (GSM, UMTS) ; • les constellations de satellites de navigation (regrou- pées sous le terme générique de GNSS), comme le GPS ou le futur GALILEO ; • les systèmes additionnels, de type capteurs inertiels ; • les systèmes optiques utilisant soit des lasers, soit du traitement d’images. Les réseaux de capteurs sont clairement une ap- proche dont les performances peuvent être excel- lentes mais pour laquelle l’infrastructure représente une très forte contrainte : la mise en œuvre de ces derniers est du domaine des applications de « niche ». Les techniques employées sont nombreuses : ultra- sons, infrarouge, capteurs de pression ou encore éti- quettes électroniques. L’idée répandue consiste à considérer que les techniques utilisant les réseaux de télécommunica- tion mobiles (GSM ou UMTS), ou locaux (Bluetooth, Wi-Fi ou Ultra Wide Band UWB), sont à classer dans la catégorie des systèmes « sans infrastructure » puis- que cette dernière est déployée par ailleurs, pour des besoins sans lien direct avec la localisation. Cela est partiellement inexact compte tenu du fait qu’il est en général nécessaire de mettre en œuvre des moyens spécifiques à la localisation, sauf pour l’identification de la cellule, le “Cell-Id”, qui ne donne toutefois pas une précision satisfaisante. Ces réseaux ne permet- tent pas d’obtenir de bonnes précisions sans un dé- ploiement important. Le positionnement en milieux difficiles, et en inté- rieur en particulier, constitue une limitation actuelle forte des systèmes de localisation globaux de type GNSS. De nombreuses solutions tendent à voir le jour, poussées par les industriels du secteur, comme par exemple l’Assisted-GNSS (A-GPS) ou encore les HSGNSS (pour “High Sensitivity GNSS”). Les amélio- rations en termes de capacité à fournir une position dans des environnements auparavant non couverts par les satellites sont réelles. Cependant, il apparaît Principales techniques et technologies de positionnement Vers la quête de la continuité de service There are so many technical solutions available for positioning goods and people with accuracies ranging from a few cen- timetres to a few hundreds of metres that it is really surprising not to have a real continuity of the positioning services in all environments, i.e. outdoors and indoors. This article describes a point of view concerning this obvious lack of acceptable tech- nical solution yet. Following the description of the various techniques available and their associated performances, is provided an analysis of the absence of a common basis including both the positioning performances and the associated constraints on a reasonable scale and for a significant range of applications and services, leading to the scattering of the efforts of both the scientific and industrial communities. Then a couple of technical answers are provided to the readers. The proposed approa- ches are briefly described but the most important point is that the author believes they are really implementable. Furthermore, many other solutions are probably even more realistic but it requires the various actors of the positioning and telecommunica- tion domains to join together towards the definition of the above mentioned minimal common basis. abstract 72 ◗ REE N°3/2012 La géolocalisation aujourd’hui de nouvelles limitations : la limite de détection n’est toujours pas suffisante pour permettre le positionne- ment en intérieur profond (“deep indoor  “), la précision obtenue est dégradée par rapport à l’extérieur, alors qu’il fau- drait l’améliorer légèrement, et enfin le temps nécessaire à l’obtention d’une position est parfois de plusieurs secondes. Ces solutions, développées dans le domaine des systèmes de navigation par satellites, ne réclament pas d’avoir recours à une infrastructure : cependant, ici encore, ces approches ne semblent pas permettre une continuité de la fonction de localisation dans des conditions satisfaisantes. Le constat est ainsi le suivant : une solution radio sans infrastructure spécifique, idéale dans l’absolu, n’a pas encore pu être mise en œuvre dans de bonnes conditions, malgré les efforts importants menés par les industriels des télécom- munications et de la navigation. Les systèmes inertiels sont, eux aussi, à classer dans la catégorie des « sans infrastructure » : le terminal mobile est alors un peu plus complexe et réclame des modélisations avancées pour un bon fonctionnement. Cette solution sem- ble viable aujourd’hui pour des applications de niche (mal- voyants par exemple), puis, à court terme, pourrait être une solution de complément à des techniques radio. En effet, la dérive temporelle et le besoin d’un point initial rendent l’ap- proche inertielle non « autonome ». Un autre type d’approche est constitué par les techniques dites SLAM (pour “Simultaneous Localization And Mapping”) qui consistent en des traitements d’images permettant de caractériser le mouvement de la caméra, cette dernière étant embarquée sur le terminal mobile (les traitements, encore assez lourds actuellement, sont également réalisés par le ter- minal). Ses principales limitations actuelles sont les exigen- ces en capacité de traitement et en calibration de la vitesse de déplacement du capteur, ainsi que la nécessité d’avoir une image nette et pas trop « obstruée » visuellement. Après avoir décrit les diverses techniques (nous nous concentrerons sur les techniques de type radio) mises en œuvre pour réaliser la fonction positionnement, nous com- menterons l’insuffisance des évolutions à venir des GNSS pour résoudre le délicat problème de la continuité du ser- vice de positionnement dans tous les environnements que le futur utilisateur (l’individu et son téléphone portable en particulier) est susceptible de rencontrer. Nous conclurons alors sur le besoin en solutions hybrides, couplant plusieurs approches, certaines étant succinctement décrites. Les approches du positionnement et leur mise en œuvre L’intérêt des solutions radio au problème du positionne- ment réside dans leur degré de maturité et dans la capa- cité des ondes radio à « traverser » ou à « contourner » les obstacles. Dans un milieu intérieur, cette caractéristique est particulièrement importante. Ainsi, les techniques optiques, directes (de type laser) ou basées sur la reconnaissance de scènes globales, sont en général plus sensibles à des envi- ronnements « encombrés » typiques des nombreuses appli- cations grand public. • Les techniques de mesure Il y a principalement quatre techniques de mesure utili- sées pour le positionnement radio [2], [3]. Par ordre chro- nologique d’apparition, il y a la mesure d’angles, la mesure d’une empreinte (fingerprinting), la mesure du temps de vol de l’onde et l’identifiant du transmetteur. La mesure d’angle est la base de la triangulation utilisée par les géodésiens pour mesurer la terre. Pour le positionne- ment, la technique est un peu différente et est illustrée sur la figure 1. L’idée générale est de mesurer la direction d’arri- vée du signal en provenance d’un transmetteur. La référence habituelle, afin d’obtenir des mesures absolues, est le nord magnétique. Ainsi, avec une unique mesure, le récepteur sait qu’il se trouve quelque part sur la ligne L1 (voir figure 1). Ceci n’est évidemment pas assez précis et il est alors nécessaire (et c’est une technique tout à fait classique pour faire du positionnement) de procéder à plusieurs mesures pour une même position. Une seconde mesure, faisant référence à un autre transmetteur, permet alors de considérer que le récep- teur se trouve maintenant à l’intersection des lignes L1 et L2. Deux mesures permettent alors de déterminer une position en deux dimensions. Cette technique peut être utilisée en 3D mais nécessite alors des mesures d’angles en 3D, c’est-à-dire deux angles (azimut et élévation) : cela est possible à l’aide d’antennes 2D. Deux mesures d’angles en 3D, c’est-à-dire quatre angles au total, conduisent à un positionnement en 3D. Il est à no- ter que lorsque trois mesures sont disponibles en 2D, il est nécessaire d’appliquer une méthode de détermination de la position car le problème est alors surestimé. Dans la figure 1, Figure 1 : Mesures d’angles. REE N°3/2012 ◗ 73 Principales techniques et technologies de positionnement. Vers la quête de la continuité de service le choix est de retenir le centre du cercle inscrit dans le trian- gle formé par l’intersection des trois droites L1, L2 et L3. Cette technique est en général très performante car les mesures d’angles sont souvent fondées sur des différences de phase qui peuvent être mesurées avec une grande pré- cision. Malheureusement, en environnements réels, la diffi- culté provient bien souvent de la propagation des signaux, caractérisée par un grand nombre de réflexions, appelées multi trajets. Ces derniers sont régulièrement plus puissants que le trajet direct qui peut, même, être absent. Ainsi, même si la mesure peut être de bonne qualité, l’environnement est parfois source d’erreur sur le résultat de positionnement. La seconde technique est nommée fingerprinting, littéra- lement « empreinte digitale ». La première idée de ce type apparaît au seizième siècle lorsque les scientifiques cher- chaient une solution au problème de la longitude. A cette époque, certains eurent l’idée de faire une sorte de carto- graphie de l’intensité du champ magnétique terrestre : ils pensaient possible de trouver une relation directe entre la position de mesure et la valeur du champ. Il n’en est rien, mais le principe est repris de nos jours avec le champ électri- que (ou la puissance radio) émis par un transmetteur radio, comme un point d’accès Wi-Fi par exemple. La zone à couvrir est alors « découpée » suivant une grille et une mesure est menée à chaque point d’intersection de la grille. L’ensemble des mesures est alors stocké dans une base de données qui sera interrogée lors d’une demande de positionnement d’un récepteur mobile. Cette phase d’enregistrement, appelée calibration, est ainsi nécessaire à cette technique. Quelques exemples de résultats sont donnés figure 2. Comme pour le cas précédent, plusieurs mesures simultanées en prove- nance de plusieurs émetteurs sont généralement requises afin de réduire le nombre de positions plausibles. Cette approche est relativement simple et les mesures sont possibles dès que le terminal est en visibilité radio des émetteurs. Bien sûr, ces mesures sont alors extrêmement sensibles aux conditions environnementales : par exemple, la modification de l’environnement de propagation a un effet direct sur la validité de la base de données, rendant cette technique relativement peu fiable. Cependant, dans certains contextes d’emploi, en particulier lorsqu’il s’agit d’adresser des personnes (avec leur capacité de discernement), cela peut être acceptable. Le 3D est gérable au prix d’un accrois- sement de la complexité d’établissement des bases de don- nées. Certains proposent de positionner des « renifleurs » afin d’adapter en temps réel la calibration des bases. La mesure de temps de vol est très simple dans le prin- cipe [4], [5] : l’idée de base est représentée à la figure 3. Elle consiste à mesurer le temps nécessaire à un signal radio pour se propager d’un émetteur vers le récepteur. Une fois ce temps connu, la conversion en distance est immédiate par multiplication de ce temps par la vitesse de la lumière. Bien entendu, ce modèle est trop simple dans de nombreux cas réels, et la modélisation de la propagation est ici un point important. Une fois la distance obtenue, on déduit que le ré- cepteur se trouve à la surface d’une sphère ayant l’émetteur pour centre et dont le rayon est précisément cette distance mesurée. Ceci n’est clairement pas suffisant et nous devons avoir recours, une nouvelle fois, à la multiplication des me- sures afin de réduire, géométriquement, le nombre de posi- tions possibles. Dans le cas présent, et ne considérant que le problème géométrique, quatre mesures sont nécessaires afin de proposer une solution unique en trois dimensions. Une difficulté majeure de ce type de mesures est la synchronisation des divers « participants ». Il y a ainsi deux problèmes  : la synchronisation des émetteurs entre eux et la synchronisation du récepteur avec les émetteurs. Les deux difficultés ne sont pas équivalentes car s’il est possi- ble d’imaginer « câbler » les émetteurs, il n’est pas vraiment envisageable de relier matériellement le récepteur. Effective- ment, il serait possible de réaliser cette synchronisation par radio, mais il faut alors avoir en mémoire quelques ordres de grandeur : une nanoseconde représente trente centimè- tres. Or, synchroniser par radio à une nanoseconde réclame Figure 2 : L’approche par “fingerprinting”. Figure 3 : Positionnement par mesure du temps de vol. 74 ◗ REE N°3/2012 La géolocalisation une bande passante rarement disponible. Il est donc souvent nécessaire de trouver une autre approche. Dans le cas des GNSS, cette synchronisation est réalisée par l’intermédiaire d’une mesure supplémentaire (le biais de synchronisation est alors considéré comme une inconnue du problème glo- bal de positionnement). Dans d’autres cas, la synchronisation entre émetteurs et récepteur n’est pas réalisée : des mesures dites différentielles (car ce sont en fait des différences) sont réalisées et permettent d’éliminer le biais. Concernant la synchronisation entre émetteurs, deux ap- proches ont été classiquement mises en œuvre : relier ces derniers par des câbles, et alors une calibration permet de connaître les écarts temporels entre transmetteurs, ou utili- ser des horloges à faible dérive tout en effectuant des me- sures multiples à partir de positions connues avec grande précision afin, par inversion du problème de positionnement, de remonter aux erreurs de synchronisation entre émetteurs (ceci est mis en œuvre dans les GNSS). Cette approche ré- clame cependant des horloges coûteuses. L’identifiant du transmetteur, ou identifiant de la cellule radio, est la plus simple des techniques et ne demande ni calibration, ni modélisation (voir le schéma de principe sur la figure 4). Lorsque le récepteur est capable de se connec- ter à un émetteur, on considère qu’il est dans sa zone de couverture radio (ce qui est tout à fait exact) : usuellement, dans les livres, cette zone de couverture est représentée par un hexagone. Evidemment, la réalité est bien différente et il n’est pas toujours simple de déterminer la forme de la zone couverte. De plus, il est fréquent d’avoir une zone relative- ment large (c’est l’un des avantages de ces systèmes radio) et la précision de positionnement est alors de piètre qualité. Il est également possible de multiplier, là encore, les mesu- res et de faire des intersections géométriques, mais cela est assez rare car le principe même de l’optimisation des dé- ploiements radio repose, souvent, sur la minimalisation des recouvrements. Pour un positionnement plus précis, nous pourrions décider d’avoir des émetteurs de portée réduite : il serait alors nécessaire d’en augmenter le nombre afin de couvrir une même zone géographique. C’est un compromis à faire mais qui peut présenter des avantages : c’est en par- ticulier l’une des approches suivies par les RFID pour du po- sitionnement. • Commentaires sur les différences entre milieux extérieurs et milieux intérieurs Dans le cas particulier de l’intérieur des bâtiments, il existe des différences majeures avec l’extérieur qui rendent les ex- trapolations des performances d’un système conçu pour l’ex- térieur relativement incertaines. Discutons de quelques-unes de ces différences : • Les environnements de propagation : beaucoup plus com- plexes en intérieur, ils réclament des algorithmes spécifiques afin de traiter certains problèmes spécifiquement aigus. C’est, notamment, le cas des trajets multiples. Un autre point important concerne la possibilité de ne pas avoir de chemin de propagation direct entre l’émetteur et le récepteur. • La dilution de précision (DOP) : la distribution des émet- teurs par rapport au récepteur est une donnée importante lorsqu’il s’agit de faire le lien entre la précision d’une me- sure élémentaire de distance et la précision finale du posi- tionnement. En intérieur, il est possible, en fonction de la zone de couverture du positionnement souhaitée, d’optimi- ser le déploiement. En particulier, il est possible d’obtenir des précisions verticales aussi bonnes que les précisions horizontales (en disposant un des émetteurs «  sous  » le récepteur, ce qui n’est pas possible avec les satellites pour un utilisateur sur terre). • Les distances : elles sont en général beaucoup plus petites qu’en extérieur. Cela engendre, par exemple dans le cas de si- gnaux de type GNSS, un avantage car la mesure est alors non ambigüe. En contrepartie, il y a un risque d’éblouissement d’un émetteur par rapport à un autre (l’effet “near-far”). • L’initialisation des algorithmes de positionnement : le calcul d’une position repose souvent sur des algorithmes néces- sitant de fournir une première estimation de la position. Cette estimation est ensuite confrontée aux mesures afin, lors d’un processus itératif, d’affiner la position calculée. Cette première estimation est souvent déterminante dans un système non linéaire (comme c’est le cas dans une ap- proche de mesure des distances) : en intérieur, la distance entre deux points d’équilibre peut être relativement faible et le choix initial doit ainsi être fait prudemment. Une pos- sibilité pour éliminer ce problème est d’utiliser un émetteur supplémentaire, ce qui augmente le coût et la complexité du système. Figure 4 : L’identifiant de l’émetteur. REE N°3/2012 ◗ 75 Principales techniques et technologies de positionnement. Vers la quête de la continuité de service • L’immobilité des émetteurs (par rapport à des satellites par exemple) : c’est un avantage car le Doppler est tout à fait prévisible. Cependant, c’est principalement un inconvénient lors de mesures statiques car si la situation de propagation est mauvaise (à cause des trajets multiples par exemple), elle le restera et il ne sera pas possible d’éliminer ces effets indésirables par simple moyenne des positions calculées. • Les principales technologies radio actuelles De nombreux systèmes de positionnement ont été pro- posés ces dernières années. Le tableau 5 en résume quel- ques-uns, associés à quelques commentaires. Cette liste n’est pas exhaustive mais relativement significative des offres actuelles. Technique Système Mesure d’angle Fingerprinting Mesure de temps de vol Identifiant de l’émetteur GNSS ✔ WiFi ✔ ✔ I Bluetooth ✔ ULB ✔ GSM/UMTS ✔ II ✔ III ✔ IV RFID ✔ V TV ✔ VI I Les réseaux locaux sans fil n’étant en général pas synchro- nisés, des mesures de distance (et non de temps) sont utilisées. Ces dernières sont en fait estimées à partir des niveaux de puissance et de modèles de propagation (en général une formule de type “Friis” avec un exposant va- riant de 2,5 à 4 suivant le type d’environnement). Ceci n’est pas très précis et dépend fortement des fluctuations de l’environnement. II Des mesures d’angle d’arrivée sont réalisées aux stations de base afin de réutiliser des fréquences dans diverses directions. Ainsi, ces mesures sont disponibles, mais la complexité de la propagation les rend en fait peu utilisa- bles pour le positionnement. III Ces réseaux n’étant pas synchronisés, c’est principalement des mesures de différences de temps de vol qui ont été proposées. Malheureusement, les modèles de propaga- tion ne sont pas de qualité suffisante pour permettre une précision acceptable : les meilleures performances rela- tées sont de 50 à 100 mètres en extérieur et grimpent à plusieurs centaines de mètres en intérieur. IV L’identifiant de l’émetteur est utilisé dans les réseaux cel- lulaires afin de « router » les communications. Là encore, la technique est utilisée dans les réseaux pour un besoin fonctionnel. La précision typique est de quelques cen- taines de mètres, ceci de façon gratuite. La majorité des opérateurs de télécommunication proposent des services utilisant cette technique. V Il existe de nombreuses définitions de la RFID (Radio Frequency Identification)  : considérons ici qu’il s’agit de toute technique radio qui permet l’échange de données et l’identification entre deux transmetteurs. Une façon sim- ple de faire du positionnement consiste alors (mais n’est pas la seule) à appliquer le modèle de l’identifiant de cel- lule. La portée, ou zone de couverture, d’un émetteur E1 est à peu près connue et si un second transmetteur T1 est capable de se connecter, ce dernier se trouve dans la zone de couverture de E1. Dans le cas d’une portée réduite, typiquement de l’ordre du mètre, cela conduit à des pré- cisions relativement bonnes. Le positionnement devient dans ce cas discret, tant dans l’espace que dans le temps (sauf à déployer des RFID tous les mètres, ce qui semble peu raisonnable, quel que soit le type d’application). VI Les signaux de télévision sont disponibles partout dans les villes modernes  : pourquoi ne pas les utiliser pour positionner un récepteur ? Cette idée fut proposée il y a quelques années et des précisions de quelques dizaines de mètres rapportées, y compris en intérieur. Limites actuelles des GNSS et adéquation des futurs GNSS à ces limites Les diverses limites des systèmes de positionnement par satellites GNSS (Global Navigation Satellite Systems) sont connues et font l’objet de nombreux travaux dans les com- munautés « traitement du signal » et « positionnement » : il ne semble cependant pas que toutes les réponses soient définitives. C’est le cas en particulier de la disponibilité, de la précision, de la fiabilité ou encore du fonctionnement dans certains environnements contraints (intérieur en particulier, mais canyons urbains également). Ainsi, de nombreuses autres techniques sont analysées dans le but de trouver de nouvelles orientations, comme par exemple l’utilisation de systèmes de télécommunications (WPAN, WLAN ou réseaux mobiles). Le fait que les applications et les services basés sur la localisation ne se développent pas plus rapidement (beaucoup moins rapidement que les prévisions de ces trois ou quatre dernières années) est peut-être dû, en partie, à la difficulté actuelle de proposer une continuité de la donnée de position dans des environnements variés (mais réels). En extérieur, le GPS et à terme Galileo, sont d’excellents candidats. Ils présentent même une convergence d’atouts : faible coût (d’équipement et d’utilisation), maturité techni- que, performances, etc. Le GPS fait donc son apparition dans Tableau 5 : Résumé des techniques radios classiques. 76 ◗ REE N°3/2012 La géolocalisation les téléphones mobiles et les prévisions de marché sont là encore impressionnantes. Il en va autrement dans les autres environnements : canyons urbains ou intérieur. Or, lorsque le positionnement s’invite dans les téléphones mobiles, la cible devient « naturellement » le piéton. Le GPS avoue alors des limites non franchissables à ce jour. Les principales directions des travaux mondiaux actuels sont les GNSS haute sensibilité ou « assistés », ainsi que l’hybridation. Cette dernière appro- che se décline en de très nombreuses versions, allant de l’in- tégration de systèmes (GPS et système inertiel par exemple), jusqu’à la fusion de données partielles, comme par exemple quelques signaux GPS et quelques signaux Wi-Fi. • Principales limitations du GPS Il est habituel de considérer que, par rapport à ses concur- rents potentiels, le GPS : • est beaucoup moins cher et très performant, • assure une couverture mondiale et offre une disponibilité permanente, • fournit une estimation en temps réel de la précision de positionnement, • donne de plus la vitesse et propose une synchronisation de grande qualité, • est gratuit d’utilisation, etc. Cependant, la couverture et la disponibilité présentent quelques limitations. Les trois éléments qui permettent de comprendre ces limitations sont le besoin de quatre satellites au minimum (pour un positionnement en trois dimensions), le fait que les mesures réalisées sont des mesures de temps de parcours d’un signal et enfin le niveau très faible de la puissance reçue au niveau des récepteurs (de l’ordre de - 125 à -130 dBm). Des difficultés vont donc apparaître dès : • qu’il y aura des obstacles (dans les bâtiments, en inté- rieur), • qu’il y aura des trajets multiples (en ville, en intérieur), • qu’il y aura des atténuations du signal (en intérieur). • Futurs développements des GNSS - Le cas de GPS Le système GPS connaît une période de modernisation au cours de laquelle les signaux vont se multiplier et les puis- sances augmenter légèrement (quelques dB). De même, no- tons, comme dans le cas de Galileo, l’apparition de signaux « pilotes » sur certaines bandes ainsi que des modulations plus performantes (BOC) lors de la dernière étape de cette modernisation (à partir de 2014). Notons que tout cela ne sera disponible pour le GPS, contrairement à Galileo, que de façon tout à fait progressive avec le lancement de nouveaux satellites. - Le cas de Galileo Les signaux Galileo vont se partager trois bandes de fré- quence [6], dont deux communes avec GPS. L’interopérabilité ainsi rendue possible permettra des avancées substantielles comme, par exemple, la disponibilité d’un grand nombre de satellites, donc une facilité de calcul de positions dans des cas de canyons urbains par exemple. Cependant, malgré cela, il est prévisible que la précision ne soit pas très bonne à cause du DOP (Dilution Of Precision) en particulier. En effet, les mauvaises performances du GPS dans les canyons urbains sont, en partie, dues à la distribution des satellites qui n’est pas assez uniforme autour du récepteur. Cela étant principa- lement causé par la présence de bâtiments, cette distribu- tion (le DOP donc) ne sera pas améliorée, ou de façon très limitée, par l’augmentation du nombre de satellites. Le cas de l’intérieur est un peu similaire : si le nombre de satellites augmente, les DOP n’ont que peu de chance de vraiment évoluer et resteront de mauvaise qualité. Comme dans le cas du GPS modernisé, les niveaux de puissance de quelques décibels supérieurs ainsi que les si- gnaux pilotes seront utiles, sans pour autant résoudre définiti- vement le cas de l’intérieur (avec les approches actuelles). • Adéquation des futurs GNSS avec les limitations actuelles du GPS Les futurs GNSS sont ainsi caractérisés par une multipli- cation des signaux transmis par les satellites, une multiplica- tion du nombre des satellites, ainsi qu’une multiplication des bandes de fréquences et de la largeur de ces bandes. De plus, les niveaux de puissance seront légèrement augmen- tés, de quelques dB, en même temps que les modulations et codages utilisés permettront d’améliorer sensiblement les performances globales. Cependant, toutes ces améliorations restent insuffisantes pour résoudre les difficultés énoncées de couverture et de disponibilité dans des environnements typiques des nouvelles applications. En particulier, ceci ne permet pas de fournir la continuité du service de position- nement dans des conditions acceptables pour un utilisateur en intérieur. Quelques détails sur la complexité du pro- blème de continuité du positionnement Afin d’illustrer concrètement cette complexité, nous allons passer par l’intermédiaire d’un tableau comparatif des diver- ses techniques. Notez que les comparaisons ne se veulent aucunement exhaustives, l’objectif étant ici principalement de faire apparaître la nécessité de mieux poser le problème de continuité du service de positionnement qu’il ne l’est aujourd’hui, et ceci sur une base technique. Enfin, le tableau REE N°3/2012 ◗ 77 Principales techniques et technologies de positionnement. Vers la quête de la continuité de service est une tentative de classification et de clarification, mais cer- taines situations complexes ne peuvent pas se résumer à une case. Tableau des « précisions » La terminologie employée dans ce tableau est la suivante : • Type : « A » pour positionnement absolu, « R » pour posi- tionnement relatif (par rapport à une position de référence, par exemple la position obtenue à un instant précédent) et « S » pour positionnement symbolique (de type « salle X » ou « Couloir Y ») ; • Précision : valeur donnée en mètres lorsque cela est pos- sible ; • Time To First Fix (TTFF) : ceci permet de faire des compa- raisons directes avec les GNSS (il s’agit du temps néces- saire à l’obtention de la première position à l’allumage du terminal). Les valeurs données dans le tableau 6 sont relatives au po- sitionnement en intérieur. Par exemple, les magnétomètres sont bien plus précis en extérieur. Voici quelques complé- ments sur ce tableau : • « Physique » regroupe un ensemble de capteurs comme des capteurs de proximité, de déplacement, etc. qui repo- sent en fait sur des mesures physiques (typiquement des variations de capacités ou de résistances). Il existe d’autres systèmes, comme celui développé au GeorgiaTech, qui uti- lisait des capteurs de pression répartis sous les dalles d’un bâtiment. • « R » est parfois relatif à une position de référence (ou pré- cédente), parfois par rapport à un environnement local. • En plus des capacités intrinsèques propres à chaque tech- nologie, le tableau regroupe les usages classiquement ob- servés. Dans le cas de l’ultrason par exemple, deux types de systèmes on été déployés : soit du guidage de robot avec une approche typiquement absolue (mais cela pourrait se discuter également), soit du positionnement en "indoor” avec, alors, une approche relative. Dans le cas de Wi-Fi, le positionnement usuel est typiquement relatif (par rapport à l’environnement local), etc. • Concernant le RFID, nous considérons qu’il s’agit de bor- nes déployées dans un environnement donné. Dans un tel cas, il est important de comprendre que le positionnement, en plus des spécifications dont on est en train de parler, est « temporel ». Il n’est valable qu’à un instant donné cor- respondant au passage à proximité d’une borne. Le terme « Relatif » s’applique alors au fait que l’on connaît sa position par rapport à une borne. • Pour les WLAN, c’est là encore les techniques les plus cou- ramment employées, à savoir le “fingerprinting” pour Wi-Fi et Bluetooth et le temps de vol pour UWB, qui sont consi- dérées. Concernant WiMAX, le cas est un peu particulier : il n’y a pas grand chose, à notre connaissance, sur le sujet. Nous avons alors « extrapolé » du Wi-Fi (donc mesures du niveau de puissance) ce que cela pourrait donner, en étant plutôt optimiste sur les performances possibles. • Le paramètre TTFF est un indicateur délicat car il s’agit d’une notion bien définie pour les GNSS, mais jamais pour les autres technologies. Il faut donc l’interpréter ici comme une indication comparative sur le temps nécessaire pour obtenir une position. Ainsi, on ne considère pas le temps néces- saire à l’acquisition des éphémérides par exemple. • Les pseudolites sont des générateurs de signaux GNSS ter- restres. • Les répéteurs sont des systèmes récupérant le signal GNSS en extérieur et amplifiant ce dernier avant de le transmettre en intérieur par exemple. Technique Type Précision TTFF Réseau de capteurs Infrarouge S Une pièce < 1 s Ultrason A/R Quelques cm < 1 s RFID R < 1 m < 1 s Physique A/R/S Quelques cm Quelques s WLAN Wi-Fi R/S Quelques m < 1 s Bluetooth R/S Quelques m < 1 s ULB A ≈ 10 cm < 1 s WiMAX A ≈ 10 m < 1 s GSM/UMTS Cell-Id A 100 m à 20 km Quelques s TOA A > 100 m Quelques s TDOA/OTD A > 100 m Quelques s AOA A > 100 m Quelques s GNSS A-GNSS A > 10 m < 1 s HS-GNSS A > 10 m < 1 s Pseudolite A ≈ 10 cm < 1 s Répéteur A ≈ 1 m < 1 s Inertiel Gyroscope R ≈ 1 m/mn < 1 s Accéléromètre R ≈ 1 m/mn < 1 s Magnétomètre R ≈ 10° < 1 s Odomètre R Quelques % < 1 s Autres Camera A/R < 1 m Quelques s Laser A/R ≈ 1 cm < 1 s Télévision A ≈ 200 m < 1 s Les vraies contraintes pesant sur les solutions techniques Avant de discuter sur la nécessité, communément admise (mais toujours éventuellement discutable …), de coupler plusieurs techniques afin de parvenir à la continuité de ser- Tableau 6 : Précisions comparées. 78 ◗ REE N°3/2012 La géolocalisation vice recherchée, essayons de comprendre les raisons pour lesquelles une telle solution n’est pas déjà opérationnelle. En effet, les approches techniques semblent si nombreuses que l’on a du mal à les comprendre. Pour ce faire, décrivons succinctement les contraintes telles qu’elles apparaissent dans la réalité : notez que la liste ci-dessous correspond à ce que les divers acteurs des domaines en présence (télécom- munications, services, intégration, etc.) souhaiteraient avoir à disposition. En se basant sur les GNSS comme technique de base qui équiperait tous les terminaux et dont les perfor- mances en extérieur sont régulièrement améliorées, la (ou les) technique(s) complémentaire(s) devrai(en)t avoir les caractéristiques suivantes : • ne pas nécessiter d’infrastructure spécifique (ou alors très légère) ; • ne pas être perturbée par des problèmes dus à l’environne- ment (sensibilité aux obstacles, propagation, …) ; • proposer typiquement une précision métrique ; • fournir le positionnement avec une « certaine » fiabilité ; • s’appuyer sur des technologies matures (et standardisées) ; • utiliser des technologies peu coûteuses à intégrer et à opé- rer (côté terminal principalement). Bien sûr, l’importance relative de ces diverses contraintes dépend de l’acteur et de l’application visée, mais elle reste présente, bien souvent. Ceci a deux conséquences majeures : la première est que la solution est souvent introuvable, et la se- conde, paradoxalement, est que les travaux partent dans toutes les directions. De ce foisonnement naissent des solutions par- fois intéressantes, parfois astucieuses ou techniquement très bien pensées, mais souvent ne traitant qu’un nombre limité des dites contraintes. Toute cette énergie ne semble être ca- nalisée par personne. Les grands groupes industriels, comme certaines équipes universitaires importantes, ont quelquefois leur logique et donnent une certaine cohérence d’ensemble, mais cela ne semble pas être suffisant. Aussi curieux que cela puisse paraître, il semble que l’ana- lyse rigoureuse de ce que pourrait être un socle minimal, en termes de performances et de contraintes associées, qui per- mettrait de couvrir un ensemble de services et d’applications n’a pas véritablement abouti à un cahier des charges commun simplifié. Les avancées se font au coup par coup, de façon opportuniste. L’ampleur du marché, ou plutôt des marchés potentiels, est tel qu’il semble préférable de faire croire que l’on est tout proche d’une solution afin de conserver ouvertes les sources de financement des développements nécessai- res. Cette logique a cependant une limite vers laquelle nous sommes en train de nous diriger : les financeurs n’y croient plus et les financements sont de plus en plus difficiles à trou- ver (sauf pour les très gros projets industriels comme Galileo par exemple). L’avenir semble sombre et ne l’est pourtant pas du tout, tant des solutions complémentaires existent, comme nous l’avons vu dans les paragraphes précédents. L’effort qui reste à accomplir consiste en la mise en commun, de la part des acteurs de ces communautés diverses (tech- nologues, industriels, opérateurs, fournisseurs de services, constructeurs de terminaux, gestionnaires de locaux, etc.), de contraintes minimales qui doivent permettre d’organiser la recherche et les développements, et de fournir un objectif commun raisonnable. Perspectives L’analyse de cet ensemble de solutions potentielles et leurs avantages et inconvénients respectifs a conduit, depuis quelques années, à mener des travaux de recherche et déve- loppement dans la direction de « l’hybridation » [7]. Ce terme est utilisé afin de qualifier les approches qui vont fusionner, d’une façon ou d’une autre, diverses techniques. L’objectif est très clair : fournir une réelle continuité du positionnement, de façon continue dans le temps et l’espace. Le type d’approche le plus communément décrit consiste à coupler une techno- logie pour l’extérieur, typiquement le GNSS, et une autre pour l’intérieur. Dans ce dernier cas, il s’agit soit du Wi-Fi, soit de l’UWB, soit enfin de l’inertiel. Il est intéressant de noter que certaines approches couplent la vision (traitement d’images) et le Wi-Fi pour des applications professionnelles en intérieur. Toutes les combinaisons sont alors possibles. Une autre approche, développée à l’Institut Mines-Télécom en partenariat avec le CEA-List, consiste, en fait, à discriminer les technologies, toujours en fonction des caractéristiques des environnements, mais sur une base différente de la classique dichotomie entre intérieur et extérieur. Il s’agit ici de coupler une technique radio (de type pseudolite) et une approche inertielle. La technique radio, (GNSS en extérieur et pseudolite en intérieur) est utilisée là où la propagation reste de qualité acceptable, c’est-à-dire dans les espaces dégagés (en intérieur, ce sont les grands halls, les nœuds de raccordement dans les gares, les aéroports, les musées ou les centres d’expositions, etc.). Dans ce cas, l’infrastructure nécessaire, les pseudolites, reste d’une complexité acceptable en regard des performan- ces (typiquement métriques) proposées. Dans les autres environnements, canyons urbains en extérieur ou zones à l’ar- chitecture plus complexe en intérieur, l’inertiel prend le relais. La complémentarité ainsi obtenue ne se limite pas à un simple basculement d’une technologie sur l’autre en fonction de l’en- vironnement, mais un couplage étroit permet alors d’utiliser des données radio afin de calibrer l’inertiel. Une autre idée est fondée sur l’utilisation opportuniste d’un ensemble de signaux radio disponibles en provenance REE N°3/2012 ◗ 79 Principales techniques et technologies de positionnement. Vers la quête de la continuité de service des diverses sources rayonnantes, et nous savons combien ces dernières sont nombreuses. En particulier, de nombreux téléphones portables (les terminaux «  cibles  » de l’appro- che) sont des sources d’émission et de réception de divers signaux : GSM/UMTS, Bluetooth, Wi-Fi, Radio et bientôt RFID, Télévision et ULB. Ils possèdent ainsi, de fait, des capacités de positionnement. Cependant, ces techniques utilisant les émissions radio ne sont pas très précises (à cause de la syn- chronisation peu performante des réseaux en question) : afin d’améliorer le positionnement, le principe est d’utiliser cette grande diversité des signaux et «  d’organiser  » les réseaux d’un point de vue positionnement (par des approches al- gorithmiques de détermination des positions des terminaux de « proche en proche ») [5]. Considérons un terminal com- municant possédant sa position (car il est également équipé d’un GPS et se trouve en extérieur par exemple), qui soit également en « visibilité » Wi-Fi d’un second terminal qui lui ne possède aucune information sur sa position. Le fait même que ce dernier soit à portée radio du premier est un élément susceptible de fournir une première approximation de sa po- sition. Il est alors simple d’imaginer ce que pourrait donner la multiplication des terminaux et des interconnexions. Notez qu’il est alors également possible de gérer toute la diversité technologique des terminaux : l’approche algorithmique est en effet adaptative aux technologies disponibles sur le termi- nal. Les premiers travaux conduits dans ce sens ont montré des précisions atteignables de quelques mètres dans des en- vironnements, architecturaux et réseaux, comparables à des situations typiques réelles. La question est alors posée clairement : avec toutes ces technologies, dont certaines sont disponibles et matures, pourquoi le problème n’est-il pas encore résolu ? Un début de réponse réside peut-être dans l’équation suivante  : le marché potentiel est de telle envergure et la solution GNSS actuelle étant gratuite (quelques dollars la puce « GNSS » et pas d’abonnement) que tous souhaitent une solution équi- valente pour la continuité du positionnement. Hélas, cette solution ne semble pas se dessiner rapidement. Le souhait, qui se transforme vite en une spécification technique, de la réduction des coûts de déploiement, nous a menés à la si- tuation actuelle : un foisonnement de solutions techniques mais pas encore de solutions suffisamment matures au pro- blème de la continuité de la localisation. Nous sommes ainsi dans une période tout à fait passionnante pour la recherche et l’affaire est à suivre … Bibliographie [1] P. Saint-Martin, N. Samama, « La Géo-localisation », Institut Télécom, Paris, 2009. [2] E. Kaplan, C. Hegarty, “Understanding GPS: Principles and applications”, Norwood: Artech House, 2006. [3] N. Samama, “Global Positioning: Technologies and Per- formances”, Hoboken: Wiley Interscience, 2008. [4] B.W. Parkinso, J.J. Spilker, “Global positioning system: Theory and applications”, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996. [5] P. Misra, P. Enge, “Global Positioning System: Signals, Measurement and Performance”, Ganga-Jamuna Press, 2010. [6] B. Hofmann-Wellenhof , H. Lichtenegger & E. Wasle, “GNSS - Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo, and more”, Springer, 2007. [7] A. Küpper, “Location based services — fundamentals and operation”, John Wiley and Sons, 2005. Nel Samama, enseignant-chercheur à l’Institut Mines-Télécom où il anime le Groupe navigation, a proposé ces dernières années des techniques originales de positionnement en intérieur, verrou fort de la continuité du service pour les systèmes satellitaires. Ces travaux ont fait l’objet de nombreuses publications ainsi que de plusieurs brevets. Il est de plus l’auteur de l’ouvrage “Global Positioning: Technologies and Performances“ paru chez Wiley in- terscience en 2008. l'auteur 80 ◗ REE N°3/2012 La géolocalisation A-GNSS  (Assisted-GNSS)  : Méthode d'amélioration des GNSS par l'apport d'information via le réseau de téléphonie mobile. AOA (Angle Of Arrival) : Mesure qui consiste à déterminer l'angle d'arrivée d'un signal. ARNS : (Aeronautical Radionavigation Service) : Service de navigation aéronautique. Bluetooth : Une déclinaison commerciale du standard des réseaux personnels de télécommunication IEEE 802.15 (WPAN). BOC (Binary Offset Carrier) : Modulation permettant, pour une fréquence porteuse donnée, de décaler le spectre de part et d'autre de cette fréquence. Cette modulation est utilisée dans GPS et Galileo afin de réduire les interférences entre signaux. CDMA (Code Division Multiple Access) : Accès multiple à répartition de code en utilisant la technique d’étalement de spectre par séquence directe. Cell-Id (Cell-Identification) : Moyen de localisation des ré- seaux GSM par la technique de l'Identification de Cellule. DOP (Dilution Of Precision) : Nombre qui définit l'uniformité de la distribution des émetteurs autour du récepteur et permettant de faire le lien entre la précision d'une mesure élémentaire (de distance par exemple) et la précision du positionnement final. Plus ce nombre est petit, meilleure est cette précision. Il existe de nombreux DOP : horizontal, vertical, 3D, etc. FDMA (Frequency Division Multiple Access) : Accès multiple à répartition de fréquences. GSM (Global System for Mobile) : Réseau mobile de télé- phonie de 2ème génération. GNSS (Global Navigation Satellite System) : Terme générique utilisé pour désigner l'ensemble des systèmes de navigation par satellite. HS-GNSS (High Sensitivity GNSS) : Méthodes d'amélioration de la sensibilité des GNSS. IGSO(InclinedGeosynchronousOrbit) :Seditdel'orbited'un satellite lorsque cette dernière est inclinée et géosynchrone, donc pas géostationnaire. Pseudolite : Générateur local de signaux GNSS. Répéteur : Dispositif électronique qui permet de retransmet- tre des signaux GNSS récupérés par une antenne placée en un endroit de bonne réception des satellites. RFID (Radio Frequency Identification) : Etiquette électronique. SRNS : Service de Radio Navigation par Satellite. TDOA/OTD (Time Difference Of Arrival / Observed Time Difference) : Méthode qui consiste à mesurer la différence de temps d'arrivée de deux signaux. TOA (Time Of Arrival) : Mesure qui consiste à déterminer l'instant d'arrivée d'un signal. TTFF (Time To First Fix) : Temps nécessaire à l'obtention de la première position à l'allumage du terminal. ULB : Ultra Large Bande (standard IEEE 802.15). UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) : Ré- seau de téléphonie mobile de deuxième génération. Wi-Fi :Unedéclinaisoncommercialedustandarddesréseaux locaux de télécommunication IEEE 802.11 (WLAN). WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) : Unedéclinaisondustandarddesréseauxdetélécommunication IEEE 802.16. WLAN (Wireless Local Area network) : Réseau local de télé- communication radio. WPAN (Wireless Personal Area network) : Réseau personnel de télécommunication radio. Glossaire