Techniques et technologies de localisation avancées pour terminaux mobiles dans les environnements indoor

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Techniques et technologies de localisation avancées pour terminaux mobiles dans les environnements indoor Frédéric Evennou 22 Janvier 2007 Je remercie France Télécom R & D et particulièrement Mr . Patrice Senn qui a été à l' initiative de cette thèse sur la localisation , Mme Marylin Arndt qui m' a accueilli dans son URD ( Unité de Recherche et Développement ) ainsi que M. Dominique Barthel responsable du pôle de recherche auquel mes travaux de recherche ont été rattachés . Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance à M. François Marx pour son encadrement de très grande qualité , ses nombreux conseils et son soutien constant tout au long de ma thèse . Travailler sous sa responsabilité m' a énormément apporté sur le plan scientifique . Sa rigueur ainsi que son esprit critique m' ont toujours permis d' avancer dans les bonnes directions ( qui parfois sont si nombreuses ) pour mener à bien ses travaux de recherche sur la localisation . Je remercie M. Emil Novakov pour avoir suivi l' avancement de mes travaux de thèse en tant que directeur de thèse . Je remercie les rapporteurs de cette thèse M. Bertrand Merminod et M. Alain Sibille pour le grand intérêt qu' ils ont accordé à mes travaux , ainsi que pour leurs corrections . Merci également à M. Joel Liénard pour avoir présidé mon jury de thèse . Je tiens à montrer toute ma gratitude à tous les membres du laboratoire TECH / IDEA . Je remercie tout particulièrement Jean-Paul Laval pour sa grande expérience en électronique et qui m' a toujours accordé de son temps et de son expérience pour mettre en place les différentes plate-formes nécessitant une expertise en électronique . Mes remerciements vont également à tous mes collègues du laboratoire TECH / IDEA / iROC pour avoir rendu ces années de thèse les plus agréables possibles . Je n' oublie pas Mohamed avec qui j' ai eu grand plaisir à partager le bureau au cours de ma thèse et qui a supporté sans rien dire toutes les frappes sur le clavier lors de la rédaction de ce mémoire . Merci aussi au petit groupe de sportifs ( Leila , Patricia , Benoît , Christian , ... ) qui a toujours été là pour me changer les idées durant les pauses de midi . Ces remerciements ne seraient pas complets sans une petite pensée pour les deux stagiaires que j' ai eu l' honneur d' encadrer au cours de ma thèse et avec qui j' ai eu grand plaisir de travailler . Ce mémoire n' aurait pas été possible sans les travaux de très grande qualité menés par Simon Nacivet sur la localisation par ULB , et ceux de Julie Astier sur les suites à donner à ces travaux de thèse . Que la petite communauté Insalienne Rennaise délocalisée sur Grenoble ne soit pas oubliée car elle a toujours été là pour me montrer qu' il y a bien une vie à côté de la thèse , avec les quelques soirées et aussi pour son soutien pendant les quelques moments difficiles qui me sont arrivés au cours de ces dernières années sur Grenoble . Je n' oublie pas ceux qui sont restés en terre natale ( sur Rennes ) ni ceux qui ont été obligés de s' expatrier sur Caen , Paris , Toulouse et parfois même en Irlande . Je veux adresser tous mes remerciements à ma famille pour avoir toujours été à mes côté durant cette thèse et qui a participé pour une grande part à la réussite de cette thèse . Je tiens tout particulièrement à remercier ma maman qui a accepté de relire mon mémoire , et pour qui une grande partie des grandes théories présentées ici est restée très hermétique , mais qui malgré ce petit détail , a accepté de relire très attentivement " ce roman " pour en chasser un grand nombre de fautes d' orthographe . Je n' oublie pas mes grands-parents qui malgré l' éloignement ont toujours été là pour me soutenir durant ces quatre années . Un grand merci à mes " parents Irlandais " ( Margaret et Noel Shaughnessy ) sans qui je n' aurai jamais été capable de publier autant durant la thèse , s' ils n' avaient pas été là pour me faire apprécier la langue de Shakespeare . Merci pour m' avoir enseigné si patiemment toutes les subtilités de l' anglais ( parlé ) . Je souhaite enfin remercier ma très chère amie Azadeh qui a toujours été là pour me soutenir au cours de ces années de thèse , me redonner du moral dans les moments difficiles en me permettant de sortir de tous mes travaux de thèse afin que je reparte toujours mieux le lendemain . Je te remercie aussi pour ta très grande gentillesse et ta grande patience pour essayer de m' enseigner un peu de Persan même si je ne suis pas très rapide pour retenir tous les nouveaux mots . J' espère que tu continueras encore à m' encourager maintenant que ma thèse s' achève ... mn tO raa hyly dUset daaram , Azaadeh jaan . 66666666666666 nq^s hr n . gmh kh zd raah bh jaaEy daard . haaf . z ^syraazy 66666666666666 Contents Remerciements ? ? 1 État de l' art ? ? 1 Introduction : l' évolution des besoins de localisation ? ? 2 La localisation : objectifs , moyens et performances ? ? 2.1 Une grande diversité pour les applications de localisation ? ? 2.2 Le cadre juridique encadrant ces avancées en localisation ? ? 2.2.1 Des organismes imposant de nouvelles normes ? ? 3 Les moyens de localisation actuels à grande échelle ? ? 3.1 Les systèmes satellitaires ? ? 3.1.1 Le système de navigation GPS ? ? 3.1.2 Les améliorations du système GPS ? ? 3.1.3 Les alternatives au système GPS ? ? 3.2 Les systèmes de localisation par réseaux terrestres ? ? 3.2.1 Le système LORAN C ? ? 3.2.2 La localisation par la Télévision Numérique Terrestre ? ? 3.2.3 La localisation via les réseaux de téléphonie ? ? 3.3 La navigation par mesures inertielles ? ? 4 Les moyens de localisation ? ? 4.1 La localisation par ultrason ? ? 4.2 La localisation par infrarouge ? ? 4.3 La localisation par vidéo ? ? 4.4 La localisation par mesure de champ magnétique ( boucles dans le sol ) ? ? 4.5 La localisation par mesure de phase des composantes du champ électromagnétique ? ? 4.6 La localisation par onde radio ( WiFi , Bluetooth , RFID , ULB ) ? ? 5 Objectifs de la thèse ? ? 2 La localisation indoor par ondes radio WiFi ? ? 1 Le standard WiFi ? ? 2 Mesures d' informations et recherche dans une base de données ( Fingerprinting ) ? ? 2.1 Choix de l' information ( RSS , signature du canal ) ? ? 2.2 La technique de ? ? 2.3 La méthode probabiliste ? ? 2.4 La méthode du plus proche voisin ( RADAR de Microsoft ) ? ? 3 Exploitation de modèles de propagation ? ? 3.1 Formulation des modèles indoor et application à la localisation ? ? 4 Techniques de traitement de l' information associées à la poursuite de mobile ? ? 4.1 Le filtrage de Kalman ? ? 4.1.1 Modélisation du filtrage de Kalman ? ? 4.2 Le filtrage particulaire ? ? 4.2.1 Description du filtrage particulaire ? ? 4.2.2 Étapes du déroulement d' un filtre particulaire ? ? 4.3 Quelques variantes et leurs intérêts ? ? 4.3.1 Sur le re-échantillonnage ? ? 4.4 Adaptation du filtrage particulaire au cas de la localisation indoor ? ? 5 Adaptation du filtrage particulaire au cas des terminaux mobiles ? ? 5.1 L' obtention du diagramme de Voronoï associé à un bâtiment ? ? 5.2 Application du filtrage particulaire sur un diagramme de Voronoï ? ? 6 Performances de la localisation indoor par WiFi ? ? 6.1 Les informations de puissance ? ? 6.2 Exploitation d' un modèle de propagation ? ? 6.3 Application de la méthode du Fingerprinting au WiFi ? ? 6.3.1 Résultats de localisation brute ? ? 6.3.2 Influence du nombre de points d' accès dans l' environnement ? ? 6.4 Apports des techniques de tracking à la localisation par WiFi ? ? 6.4.1 Application du filtrage de Kalman ? ? 6.4.2 Application du filtrage particulaire ? ? 6.4.3 Application de performances du filtrage particulaire sur un diagramme de Voronoï ? ? 6.5 Comparaison de ces différentes techniques ? ? 6.5.1 Performances temporelles ? ? 3 La localisation par signaux impulsionnels à large bande ? ? 1 Rappels sur les signaux impulsionnels large bande ? ? 1.1 Qu' est ce que l' ULB ? ? 1.2 L' intérêt de l' ULB pour la localisation ? ? 1.2.1 Les techniques de modulation pour l' ULB ? ? 1.3 Les caractéristiques du canal radio Ultra Large Bande ? ? 1.4 La réception d' un signal ULB ? ? 1.5 ULB et localisation ? ? 2 Le système de localisation par ULB envisagé ? ? 2.1 Présentation de l' architecture du système retenu ? ? 2.2 L' utilisation des codes pseudo-aléatoires ? ? 2.3 Conception d' une chaîne d' émission-réception ? ? 2.3.1 Le FPGA ? ? 2.3.2 Le générateur d' impulsions ULB ? ? 2.3.3 L' étage d' amplification : l' amplificateur ZX60 - 5916M ? ? 2.3.4 Les antennes ULB ? ? 2.3.5 Les autres éléments du système de mesure / localisation ? ? 2.3.6 Le bilan de liaison de la chaîne de localisation ? ? 2.3.7 La densité spectrale de puissance du signal ? ? 2.4 Le traitement numérique des signaux en réception ? ? 2.4.1 L' algorithme de détection du premier trajet ? ? 3 Les techniques temporelles ( TDOA pour ULB ) ? ? 3.1 Description de la méthode TDOA ? ? 3.1.1 Formulation mathématique ? ? 3.1.2 Les résultats de simulation ? ? 4 Application de la localisation dans un démonstrateur réel ? ? 4.1 La mesure de distance émetteur / récepteur ou ranging ? ? 4.2 La localisation ? ? 4.2.1 Description du démonstrateur conçu et utilisé pour les mesures ? ? 4.2.2 Analyse des mesures ? ? 4.2.3 La dilution de précision géométrique en TDOA ? ? 4 Techniques de fusion d' informations de localisation ? ? 1 Localisation WiFi et ULB ? ? 2 La localisation par navigation inertielle ( INS ) ? ? 2.1 Exploitation des données de navigation inertielle ? ? 2.1.1 Les différents capteurs disponibles pour la navigation inertielle piétonne ? ? 2.1.2 Bilan sur la localisation par navigation inertielle ? ? 2.2 Description du système de fusion WiFi / INS ? ? 3 Démonstrateurs et publications scientifiques ? ? 3.1 Le démonstrateur pour la localisation par WiFi ? ? 3.2 Le démonstrateur pour la localisation par ULB ? ? 3.3 Le démonstrateur pour la localisation par navigation inertielle ? ? 3.4 Des publications scientifiques , des brevets et des projets ? ? 4 Perspectives et nouveaux défis ? ? 4.1 En localisation par WiFi ? ? 4.2 En localisation par UWB ? ? 4.3 La fusion multi-capteurs ? ? Introduction De même qu' aujourd'hui personne ne peut ignorer l' heure , personne à l' avenir ne pourra se passer de connaître l' endroit exact où il se trouve . Anonyme De plus en plus de services nécessitent des informations de localisation pour satisfaire les besoins des utilisateurs . Lorsque l' objet à localiser se trouve dans un environnement à ciel ouvert , le système GPS est utilisé . Il permet d' atteindre des précisions de l' ordre de quelques mètres . L' inconvénient de ce système est que les différents éléments ( satellites et terminal ) nécessitent d' être en visibilité directe . Dans les environnements urbains et indoor , cette contrainte n' est pas respectée . Le système GPS fonctionne alors en mode dégradé , ou ne fonctionne plus . De nouveaux standards comme le IEEE 802 . 15.4a ou Zigbee , orientés vers les réseaux déployés à l' intérieur , intègrent des fonctionnalités de localisation . Cependant , les capacités et performances de ces système , en terme de localisation , restent à démontrer . Le large déploiement des réseaux WiFi , à des fins de communication , doit permettre aussi de se localiser . Cette fonctionnalité n' est pas prévue à l' origine pour ces réseaux . Cependant , des informations de puissance du signal sont disponibles au niveau des équipements déjà installés . La notion de puissance du signal est liée à la distance émetteur / récepteur puisque la puissance d' un signal diminue avec la distance . Ce type de réseau est donc un candidat potentiel et séduisant car il permet de communiquer en haut débit ( transfert de données , téléphonie sur IP , etc. ) , et maintenant de localiser le terminal . Une étude approfondie de ces différentes approches est nécessaire pour prévoir la meilleure solution à déployer . Cette solution peut aussi être issue de la fusion de plusieurs technologies . Les technologies " indoor " , prises individuellement , connaissent des limitations comme une portée limitée , ou une dérive au cours du temps . Il est alors nécessaire de combiner plusieurs technologies de localisation à l' aide d' une infrastructure les faisant coopérer entre elles . Une telle solution doit conduire à une meilleure estimation de la position de l' équipement . Ce mémoire apporte une contribution sur les techniques de localisation et de navigation piétonne à l' intérieur des bâtiments . L' exploitation des technologies radio WiFi et l' ULB y est abordée . Les performances et limites de chacune de ces technologies sont détaillées par la suite . La fusion des informations de localisation et le gain apporté suivant le type de fusion seront aussi analysés . Le premier chapitre présente l' ensemble des technologies de localisation existantes . Certaines techniques et technologies ont été largement étudiées comme le GPS , tandis que d' autres apparaissent grâce à l' évolution des technologies . Ce chapitre montre que l' environnement indoor ( à l' intérieur des bâtiments ) ne possède pas encore de technologie dominante ( contrairement au GPS pour l' outdoor ) pour proposer un service de localisation . C' est donc sur cet axe de recherche que ce sont orientés ces travaux . Ce chapitre présente aussi quelques pistes intéressantes pour le futur , avec l' exploitation des nouveaux réseaux de communication ( réseau de télévision numérique notamment ) . Le second chapitre propose une étude sur les capacités de localisation des réseaux WiFi . L' approche proposée est basée sur la technique du fingerprinting avec les puissances du signal radio WiFi . L' introduction d' informations supplémentaires comme le plan du bâtiment est nécessaire pour limiter l' impact du bruit des mesures . L' utilisation d' estimateurs combinant ces informations est proposée dans ce chapitre . Cependant , la technique du fingerprinting présente quelques limitations dues à l' étape de création de la base de données , et l' exploitation de mesures temporelles semble plus intéressante sur le plan de la mise en place du système . Le troisième chapitre aborde la localisation indoor sous un angle différent en exploitant des mesures temporelles . Le standard IEEE 802 . 15.4a , prévu pour la mise en place de réseaux de capteurs à l' intérieur des bâtiments , introduit la notion de localisation pour les produits issus de cette norme . Les communications par radio impulsionnelle large bande doivent permettre de séparer les différents trajets lors de l' analyse de la réponse impulsionnelle du canal . L' accès à cette information de premier trajet est primordiale pour ce type de localisation . La mise en place d' algorithmes de recherche de ce premier trajet est nécessaire . Ce chapitre propose une étude sur les capacités en terme de localisation de cette nouvelle technologie . Le quatrième chapitre présente une architectures de fusion d' informations de localisation . Les deux chapitres précédents ont présenté les performances mais aussi les limites des systèmes de localisation par WiFi et ULB . La fusion d' informations devient nécessaire car bien souvent l' amélioration des performances passe par la collaboration intelligente de différents systèmes se corrigeant mutuellement . Une première étude porte sur la fusion d' informations de localisation issues de deux capteurs radio ( WiFi et ULB ) . Une seconde approche s' attache à exploiter des capteurs de natures hétérogènes ( WiFi et de la navigation inertielle ) . Différentes architectures de fusion sont proposées avec les performances et améliorations obtenues en exploitant chacune des approches . Ce chapitre s' attache aussi à présenter les différentes réalisations issues de ce travail de thèse , avec des démonstrateurs réels permettant de vérifier le réalisme de chacun de ces systèmes , des publications scientifiques et des brevets d' invention . 1 État de l' art On ne connaît pas complètement une science tant qu' on n' en sait pas l' histoire . Auguste COMTE De nos jours , les techniques de localisation sont multiples . Une bonne maîtrise et connaissance de ces diverses méthodes sont nécessaires afin de judicieusement dimensionner sa propre solution de localisation . Cette solution ne doit pas être surdimensionnée , sinon elle entraîne un surcoût soit au niveau de l' infrastructure soit au niveau du terminal de localisation . Les évolutions des performances des systèmes de localisation doivent aussi être accompagnées d' une législation réglementant les usages de la localisation qui peut devenir un outil d' usurpation de la vie privée des utilisateurs , en cas d' utilisation abusive . Ainsi la phrase de Georges Orwell " Big Brother is watching you " dans " 1984 " [ ? ] prend tout son sens . Si ces techniques s' avèrent nécessaires dans les situations d' urgence pour dépêcher des secours et porter assistance aux personnes en danger , dans le cadre du travail , cela permet à un patron de connaître en permanence où se trouvent ses employés et conduire à certaines dérives . Un cadre juridique clair et structuré est nécessaire pour faire la part des choses entre ces diverses situations et contenir les excès futurs qui pourraient apparaître . Ce premier chapitre introductif , a pour but d' effectuer un panorama des solutions de localisation disponibles , en mettant en avant les performances et les contraintes qui leurs sont liées . 1 Introduction : l' évolution des besoins de localisation Les hommes ont toujours eu besoin de localiser les objets et de se situer dans l' environnement . Pour répondre à cette nécessité , plusieurs techniques ont été utilisées . Au début de l' Humanité , l' homme utilise les pierres ( ou montagnes ) pour se repérer . Les particularités du relief lui servent de repère pour retrouver son chemin à travers la jungle et les déserts . Les précurseurs de la navigation ont laissé des traces sur leur passage comme des marques sur des pierres ou des arbres . Le concept de base à toute localisation est donc la " référence " . C' est sur cette notion que reposent tous les systèmes de localisation qui se succèdent pour fournir la position d' un objet ou d' une personne . Ensuite les techniques de localisation à l' aide des " corps célestes " sont utilisées . Ce moyen est bien connu des navigateurs qui très tôt l' ont utilisé pour traverser les océans . Les éléments naturels utilisés comme points de référence sont bien sûr le soleil , la lune et les étoiles . La position relative des étoiles les unes par rapport aux autres ainsi que leur arrangement géométrique , différent d' une position de la Terre à une autre , ont permis à ses navigateurs de se situer sur les océans ( détermination de la latitude ) , la longitude étant déterminée par la mesure du temps . Ces éléments naturels ont défini le cap à suivre pour rejoindre leur point de destination . Plus tard , l' arrivée d' appareils de mesures comme les sextants , ont permis de connaître plus précisément les configurations géométriques des astres . Ces informations combinées à des cartes pré calculées ont permis d' améliorer la précision de ce type de localisation . La navigation à l' estime a aussi été utilisée . Connaissant la vitesse , le point de départ et les angles dans la trajectoire , les navigateurs réussissaient à déterminer plus ou moins précisément leur position sur l' océan . La seconde guerre mondiale a permis de tester de nouvelles technologies de localisation , puisque les militaires ont compris très tôt l' avantage tactique de connaître sa propre position et aussi celle de l' ennemi . Des techniques de triangulation radar ont été testées à cette époque . Dans les années 1950 , les premières techniques de localisation par onde radio sont apparues . Le concept était de mesurer le temps de vol d' une onde radio entre un émetteur et un récepteur . Le défi est d' estimer le plus précisément ce temps de vol , car une erreur d' une microseconde conduit à une erreur de sur l' estimation de cette distance . LORAN a été véritablement le premier système de localisation par onde radio . Il a été déployé dans plusieurs régions du monde mais n' était disponible que sur seulement de la planète . De plus , il n' était déployé que sur les côtes et était la propriété des différents gouvernements . Afin d' offrir une couverture totale de la planète par ce type de service , l' idée d' un système de localisation par satellite s' est imposée . Le principe de localisation mis en place est en tout point similaire à celui des techniques terrestres à savoir la triangulation . Hormis l' aspect de couverture étendue , un basculement de complexité a été effectué . Avec LORAN , toute la complexité réside dans le terminal tandis qu' ici toute la complexité du système est embarquée dans les satellites . Avec l' ère des satellites , les hommes se remettent à scruter les cieux pour obtenir des informations quant à leur position sur Terre . Mais cette fois , ce sont des astres artificiels qui sont employés . Une fois ces moyens de localisation à grande échelle maîtrisés , d' autres besoins sont apparus . Les objectifs en terme de localisation ont donc peu à peu changé . Auparavant , l' objectif était ( mais reste toujours au goût du jour ) de fournir un service de localisation sur le plus grand territoire possible . Les techniques précédemment évoquées ont permis de le faire plus ou moins bien , avec la plus grande couverture possible grâce au système GPS . Cependant certaines zones restent privées de ce service de localisation . Typiquement , les environnements urbains denses ainsi que l' intérieur des bâtiments restent mal couverts . Si la localisation se fait dans ces endroits , elle se trouve entachée d' erreurs importantes à cause des faibles niveaux de signaux GPS reçus . Ainsi , le mobile se retrouve comme au temps de l' utilisation du sextant par temps nuageux . Les performances de ce système de localisation à grande échelle sont de l' ordre de la dizaine de mètres près . Certaines applications nécessitent une localisation plus fine car localiser une personne à 10 mètres près dans un bâtiment est bien souvent inacceptable compte tenu de la dimension des pièces constituant cet environnement . Auparavant , la localisation était utilisée par les professionnels , comme les marins , ou les équipages sur des rallyes , qui avaient besoin de connaître leurs positions . Ces utilisateurs se trouvaient généralement dans des espaces bien desservis par le GPS . Aujourd'hui , les applications grand public comme la localisation de son propre véhicule en ville , la localisation d' une personne dans un bâtiment , s' effectuent dans des environnements moins favorables au GPS . Les réseaux locaux basés sur des tags RFID , des Ultra-Sons , de l' infra rouge , le WiFi ou bien encore de la vidéo peuvent être exploités pour prendre le relais du système GPS et permettent de se localiser dans un rayon limité pouvant aller jusqu'à quelques dizaines de mètres . Mais certaines de ces technologies ne sont pas adaptées à la localisation d' une personne car elles nécessitent un geste volontaire devenant vite contraignant pour un utilisateur . D' autres technologies imposent des contraintes quant à leur déploiement . Une grande densité d' équipements est nécessaire pour fournir en permanence la localisation tout en conservant des performances raisonnables de l' ordre du mètre . Dans le cadre de l' indoor , les technologies radio semblent bien indiquées grâce à leur capacité de traverser les obstacles qui sont nombreux à l' intérieur des bâtiments ( murs , mobilier , etc. ) . La réutilisation des réseaux radio permet d' avoir un support de localisation peu coûteux . Les interfaces WiFi permettent d' accéder à des informations ayant un lien avec la distance mobile / point d' accès . Cette information est la puissance du signal . L' exploitation cette information n' est pas simple , car même si elle est reliée à la distance émetteur / récepteur , il n' existe pas de formule mathématique simple conduisant à cette distance . L' exploitation de la technique dite " fingerprinting " est une approche qui permet de traduire un ensemble de puissances collectées en une position . Les mesures effectuées sont souvent bruitées ce qui complique encore la tâche . L' utilisation d' outils de filtrage et d' estimation est nécessaire pour prendre en compte ce bruit de mesure et minimiser son impact sur la localisation . Tout comme par le passé , les informations cartographiques sont très importantes car la connaissance de l' architecture aide souvent le système radio qui peut devenir défaillant . L' intérieur de nos bâtiments intègre de plus en plus de capteurs qui aujourd'hui sont distincts et ne communiquent pas encore entre-eux mais ceci change peu à peu . L' émergence de nouveaux standards comme le TG IEEE802 . 15.4a vise à faire communiquer les capteurs . Ce standard prévoit que les communications entre les capteurs soient large bande sans pour autant parasiter les autres systèmes . Une approche est d' utiliser des signaux radio impulsionnels . Tout comme dans le domaine du radar , où des impulsions très brèves sont utilisées pour leur fort pouvoir séparateur des multi-trajets en réception , il est intéressant d' étudier si ce principe est transposable pour ces nouveaux réseaux de communication , puisque les impulsions sont beaucoup moins puissantes , et la maîtrise de génération d' impulsions est beaucoup moins grande . Les dégradations successives des éléments des chaînes de communication peuvent altérer ces impulsions , en les élargissant par exemple , et rendre ainsi toute localisation inutile , du fait que l' environnement indoor présente un grand nombre de multi-trajets en réception . La mise en place d' algorithmes permettant de déterminer l' instant d' arrivée d' une onde est nécessaire , mais des traitements plus complexes que ceux mis en oe uvre pour le GPS sont nécessaires . À chaque situation , il est possible de dimensionner une solution de localisation permettant d' atteindre des performances définies dans un cahier des charges . Très souvent une technologie de localisation prise individuellement ne peut pas répondre à l' ensemble des critères . Par contre , différentes technologies et techniques permettent de satisfaire localement à une partie de ce cahier des charges . La complémentarité des différentes techniques de localisation est utile et nécessaire pour mettre en place un système de localisation indoor répondant à des performances similaires en toute position dans un bâtiment . L' interaction de différentes solutions conduit à transformer cet ensemble de techniques en un système de mutuelle auto-correction minimisant les défauts de localisation de chacune des technologies employées à l' aide des autres technologies de localisation . Ce type de complémentarité existe déjà pour le GPS dans le domaine de l' automobile . La navigation inertielle étant naturellement disponible dans une automobile , elle est souvent couplée à la navigation par GPS . En navigation piétonne , il est possible d' employer des capteurs mesurant l' attitude d' une personne les portant et d' intégrer ces informations dans l' architecture en combinant ces informations avec l' une ou l' autre des technologies . Cet aspect de complémentarité est très certainement la clé du succès pour fournir un service de localisation en toute position . 2 La localisation : objectifs , moyens et performances 2.1 Une grande diversité pour les applications de localisation Les besoins des hommes de savoir où ils se trouvent , ou alors où se trouvent leurs familles , amis , ou bien encore un service ( médecin , bouche de métro , ... ) sont de plus en plus marqués . Ces exigences deviennent de plus en plus pointues , pour toujours gagner en confort d' utilisation et qualité de vie . On distingue plusieurs catégories d' applications . Il y a d' un côté les applications de sécurité liée aux personnes et de protection des personnes fragiles . Les récents événements de société avec les séries d' enlèvements d' enfants , ont suscité une prise de conscience des pouvoirs publics et des parents . Plusieurs entreprises se sont lancées sur ce marché , à savoir la sécurité des personnes à risques comme les enfants ou bien les personnes âgées . Des entreprises comme Alcatel [ 70 ] ou Ouketi.com [ 87 ] permettent déjà d' effectuer une telle localisation pour les enfants [ 108 ] . Ce service d' Ouketi est en place depuis 2005 avec comme première zone de couverture Paris et sa région , mais à terme ce type de service sera disponible dans toutes les grandes villes . La surveillance des personnes âgées est tout autre . Cette catégorie de la population est souvent sujette à des ennuis de santé parfois fatals . La présence de systèmes d' alerte sur elles devient indispensable , ou alors certains éléments permettant de surveiller leur présence ou pas sont nécessaires pour éviter de telles situations d' urgence . La société Blue Eye [ 100 ] propose un système de détection / localisation de personnes par vidéo " Blue Behaviour " . Un système de localisation par vidéo est installé dans leur habitation et si au bout d' un certain délai , la personne âgée n' est pas entrée dans l' environnement surveillé , une équipe médicale est alertée de la non présence de la personne . Le monde professionnel nécessite aussi des solutions de localisation adaptées . La surveillance de personnes dans le milieu carcéral est une de ces applications . C' est le cas du suivi des délinquants à l' aide des technologies de localisation actuelles . Certains projets de lois aux États Unis et en Europe prévoient d' équiper ces personnes à risques avec des bracelets permettant de savoir en permanence où elles se trouvent [ 99 , 110 ] . Les pompiers , travaillant dans des milieux à risques tels les incendies , sont un autre débouché pour les applications de localisation . Leur guidage à travers les flammes est bien évidemment très intéressant afin de les empêcher de s' engouffrer dans des voies dangereuses lors d' interventions dans des bâtiment inconnus [ 113 , 105 ] . En logistique , la connaissance du lieu où se trouvent les marchandises ( soit dans un entrepôt , soit sur la route ) est assez importante afin d' optimiser le coût d' acheminement des marchandises ( gestion d' une flotte de camions ) [ 104 ] , ou de réduire le temps nécessaire à la recherche d' une petite pièce dans un très grand entrepôt . L' entreprise Américaine True Position collabore avec les militaires pour des applications de ce type [ 112 ] . Le monde grand public n' est pas en reste . Avec l' accroissement du nombre de téléphones portables , il existe des applications créant des tribus et pour lesquelles il est nécessaire de connaître la position des autres membres de la tribu . Ces applications sont souvent connues sous l' anglicisme " buddy finder " ou " services de communauté " en français [ 117 ] . D' autres services comme le renseignement sur les points d' intérêts à proximité de sa propre position ( bouche de métro , cinéma , ... ) sont autant de renseignements qui faciliteront la vie des usagers . Ces petits services du quotidiens permettront aux opérateurs de retirer des bénéfices avec leur vulgarisation auprès du public . Ce dernier point montre l' intérêt des applications de guidage des personnes qui sont amenées à se développer [ 118 , 71 , 107 ] . Il existe aussi un aspect plus ludique à toutes ces technologies . Des expérimentations ont été réalisées sur l' exploitation de la localisation de joueurs évoluant dans un milieu comme une ville afin de recréer des situations de jeux d' actions . Des expérimentations ont déjà été menées à ce sujet par France Telecom R & D [ 101 ] sur un jeu de piste en collaboration avec Ludigames et infra games . On voit par là que la localisation peut être nécessaire dans de nombreuses situations de la vie quotidienne , tant sur le plan personnel , que professionnel . Aujourd'hui certains services de localisation sont disponibles . Le GPS étant en place depuis 1978 , des applications ont alors trouvé une réponse adéquate à leurs besoins de localisation . Certaines entreprises proposent à leurs clients des services de localisation à partir des techniques et technologies existantes . Le tableau 1 donnent quelques indications sur les possibilités en matière de localisation . Avec l' arrivée de nouveaux standards comme l' UMTSUMTSL'Universal Mobile Telecommunications System [ ? ] , de nouvelles applications trouveront naturellement une solution à leur besoin de localisation étant donné la forte connotation de multimédia associée à ce standard . Le nombre de projets de recherche dans ce domaine va considérablement augmenter dans les années à venir . Table 1 : Comparaison de quelques techniques de localisation et offres associées . Prestataire rmations ) 2.2 Le cadre juridique encadrant ces avancées en localisation L' émergence de tous ces nouveaux services est généralement due à des organismes et à une évolution des technologies qui permettent aux clients de disposer de ces nouvelles fonctionnalités . Aux États-Unis , la FCC ( Communications CommissionFCCThe Federal Communications Commission ) [ ? ] est à l' origine du service d' urgence E 911 E 911 Enhanced 911 pour déterminer la position des téléphones mobiles passant des appels d' urgence . En Europe , le service E 112 E 112 Enhanced 112 , similaire au service E911 , a été mis en place par les pays de l' Union Européenne . Une arrivée massive de services de localisation pour un mobile , peut conduire à un certain nombre de débordements qu' il convient de prévenir en mettant en place des législations adaptées aux situations . Aujourd'hui , si les activités de recherche sur la localisation s' intensifient , c' est principalement du à la mise en place de règles strictes en la matière concernant la localisation des postes de téléphonie mobile . En effet , aux États-Unis l' instauration d' un système de localisation des appels d' urgence existe depuis 1969 . L' évolution technologique nous a permis de passer du téléphone filaire au téléphone sans fil qui lui devient plus difficile à localiser puisqu' il peut se déplacer dans l' environnement . La suite de ce chapitre aborde les différents systèmes de localisation existant aux États-Unis et en Europe , afin de mettre en valeur les raisons de de cette activité de recherche en géolocalisation . 2.2.1 Des organismes imposant de nouvelles normes La FCC et le service E911 Dès 1968 , le gouvernement Américain a décidé de mettre en place un numéro unique pour les appels d' urgence . L' objectif était de mettre en place un numéro universel d' urgence . Ceci n' a pu se faire sans l' aide des opérateurs téléphoniques . Le 911 a été choisi comme numéro d' appel d' urgence . Ce numéro permet encore aujourd'hui d' appeler et de déclencher les urgences ( soit les pompiers , soit la police ou alors une ambulance ) . Ce numéro a été retenu pour sa simplicité à être composé , même dans des conditions extrêmes de non visibilité du clavier téléphonique puisqu' il s' agit d' appuyer sur des touches extrêmes du téléphone . De plus ce numéro est rapide à composer . Actuellement ce numéro d' appel d' urgence est en place dans tous les états Américains ainsi qu' au Canada . Le passage du téléphone filaire au téléphone mobile a diminué peu à peu l' intérêt du service 911 mis en place en 1968 . L' évolution du nombre de téléphones mobiles a été fulgurante durant les dernières années . Le téléphone mobile remplace peu à peu le téléphone filaire . Aujourd'hui , beaucoup d' appels d' urgence sont composés à partir d' un téléphone mobile . Ceci devient problématique , car le système mis en place en 1968 permet de connaître la position du poste téléphonique filaire qui a passé l' appel ( connaissance du numéro qui est affecté à une ligne ) , tandis qu' avec le téléphone portable tous ces systèmes sont inutilisables . Il a donc été nécessaire de repenser totalement l' architecture pour qu' elle puisse connaître la position du mobile à partir duquel duquel est passé l' appel d' urgence . Partant de ce constat , la FCC a imposé , aux opérateurs de téléphonie mobile , la mise en place d' une solution de localisation permettant de localiser les équipements mobiles passant ces types d' appel . Ainsi l' ère du E- 911 ( Enhanced- 911 ) a succédé à celle du 911 . Ceci s' est fait lors de l' approbation du " Wireless Communications and Public Safety Act " de 1999 [ 111 ] . Les événements du 11 Septembre 2001 ont amplifié ce réel besoin de localiser les mobiles . Ces évènements ont montré l' importance prise par les réseaux cellulaires sans fil dans notre vie de tous les jours [ 82 ] . Une description du système 9 - 1-1 est proposée dans [ 92 ] . En observant la structure prise par le système E- 911 , on s' aperçoit que d' un côté on a le réseau ( pour les ligne téléphoniques filaires , et pour les terminaux mobiles ) , de l' autre on a les terminaux mobiles eux mêmes . La FCC [ 79 ] a mis en place deux catégories de localisation . D' un côté , une localisation effectuée par le réseau lui même , et de l' autre une localisation effectuée par le terminal mobile lui même . Les performances attendues par chacun de ces moyens de localisation sont données dans le tableau 2 . Table 2 : Performances attendues en localisation dans le cadre du E- 911 Un tel écart de performances se comprend par le fait que les signaux reçus par le terminal mobile sont généralement de meilleure qualité ( rapport signal à bruit plus élevé ) que ceux reçus par les stations de base . Les stations de base n' étant pas limitées en énergie , elles peuvent émettre des signaux plus fortement de temps en temps , tandis qu' un terminal mobile , s' il émet des signaux plus fortement , son autonomie se trouve diminuée . Le critère de performance retenu pour l' homologation d' un système de localisation est basé sur la fonction de répartition des performances en localisation ( précision ) des équipements et de la technologie retenue . La mise en place de ce système E911 a été planifiée . À chaque échéance , la FCC juge de l' avancement de chacun des opérateurs sur la mise en place du service E- 911 . Ces opérateurs remettent à la FCC un rapport de leurs activités contenant les évolutions concernant leur réseau , ainsi que les résultats sur les performances . Si des opérateurs n' atteignent pas les performances escomptées , un système de pénalité a été mis en place . Ainsi certains opérateurs comme AT & T se sont vus infliger de fortes amendes pour ne pas avoir fourni un système de localisation suffisamment performant à la fin de certaines phases . Les performances des systèmes de localisation fluctuent d' un opérateur à l' autre . La FCC a laissé aux opérateurs le choix de leur technique de localisation . Certains opérateurs ont opté pour des stratégies basées sur une localisation par le réseau , tandis que d' autres ont opté pour la localisation par le terminal mobile . Dans chacune de ces deux catégories , plusieurs techniques de localisation existent . Le tableau 3 donnent quelques indications concernant les choix des opérateurs en matière de localisation pour le E- 911 . Table 3 : Solutions de localisation retenues par les opérateurs Nom de l' opérateur La mise en place de ces systèmes de localisation se fait en deux phases . Lors de la première phase , les opérateurs téléphoniques Américains ont du fournir une localisation à la cellule ( Cell ID ) avec le numéro de l' appelant . La date limite de mise en place de cette première solution a été Octobre 1998 . Lors de la seconde phase commencée après cette première phase , de nouvelles contraintes sont apparues . Celles -ci sont présentées dans le tableau 2 . Cette phase est souvent notée Phase II . En 2006 , tous les Américains possédant un téléphone mobile doivent être localisés assez précisément lorsqu' ils émettent un appel d' urgence . Cependant , ce déploiement a connu quelques anicroches . À la fin de certaines échéances , AT & T n' a pas atteint les performances attendues . Leur solution basée sur la technique E-OTD n' a pas été mise en place pour des raisons de non livraison de quantités suffisantes de terminaux aux échéances ( retard du aux contres performances de la méthode E-OTD lors des sessions de test ) . Ils ont du opter pour une nouvelle solution de localisation . Dans leur cas , ils se sont réorientés vers la solution A-GPS . Aujourd'hui , avec le déploiement de nouvelles technologies comme celle des WLANWLANWireless Local Area Network ( Wireless Local Area Network ) , certaines personnes envisagent d' imposer de nouvelles performances à atteindre pour localiser les mobiles . L' émergence de ces nouveaux réseaux ouvre des portes vers une localisation plus fine dans les environnements dans lesquels ils sont déployés . Selon le rapport Hatfield , les techniques de localisation prévues par les opérateurs dans le cadre du E- 911 ne permettent pas de couvrir l' intégralité du territoire . Des zones d' ombre subsistent comme dans des canyons urbains par exemple . Le nombre de signaux de satellites GPS captés GPSGlobal Positioning System n' est plus suffisant pour garantir la localisation du mobile . De telles situations sont aussi rencontrées dans les bâtiments , ou les souterrains des lignes de métro par exemple [ 54 ] . Une proposition d' hybridation entre différents systèmes de localisation a été envisagée avec des solutions proposant une solution de localisation à grande échelle et une solution de localisation locale ( à faible portée ) . Le rapport Hatfield met aussi l' accent sur la nécessité de localiser des appels passés via les réseaux sans fil en voix sur IP " The issues become even more tightly intertwined with the rapidly growing popularity of wireless LANs ( e.g. , WiFi / 802.11b ) . While the range of these systems is typically much less than the range of a single cellular base station , they do add additional uncertainty as to the exact physical location of the end user making an emergency call . " . Cependant la prise en compte de ce type d' information en supplément de l' infrastructure existante apporte une complexité supplémentaire . Ainsi ces réseaux émergents sont plutôt une solution parmi d' autres pour résoudre le problème de la localisation en indoor . Le rapport Pulver de décembre 2002 [ 55 ] , préconise de lancer des études plus approfondies sur ces réseaux et de les intégrer dans une phase III . Un répertoire des hot spot est nécessaire afin que ce nouveau moyen de localisation devienne utilisable à grande échelle . En ce qui concerne la protection des données liées aux personnes , c' est le amendement de la constitution Américaine qui est appliqué . Mais suite aux événements du 11 Septembre 2001 , et la mise en place inévitable du service E911 par la FCC , une réelle prise de conscience de la nécessité d' un tel service est apparue au détriment de la protection de la vie privée des utilisateurs . Un complément à ce nouvel amendement stipule notamment la mise en place de systèmes permettant à l' utilisateur de désactiver ce type de service [ 98 , 94 ] . L' Europe et le service d' urgence E112 En Europe , un service similaire commence à être mis en place . Il émane de l' Union Européenne , et non pas d' un organisme de régulation comme c' est le cas avec le FCC aux États-Unis . Ce service a été lancé en 1991 , par une décision du Conseil le 29 Juin 1991 [ 74 ] . C' est en Juillet 2000 que le parlement Européen et son Conseil proposent une nouvelle régulation des télécommunications réglementant les données de localisation [ 77 ] . Dans les réseaux de communications mobiles actuels , les données de localisation sont déjà présentes . Cette information de la cellule dans laquelle le mobile se trouve est nécessaire pour acheminer les communications entre ce poste mobile et un second équipement distant . Pour les réseaux cellulaires , cette donnée de localisation est relativement imprécise , et dépend de la superficie de la cellule dans laquelle se trouve l' utilisateur mobile . L' exploitation de cette information de localisation liée à la cellule de rattachement du mobile est en fait un " sous-produit " du service de transmission de communications , et elle est déjà couverte par la directive existante , dans le cadre des données relatives au trafic . Bien que l' information de localisation rend de grands services à l' Homme , il est nécessaire de veiller à mettre en place des garanties appropriées pour la protection des données et de la vie privée . La disponibilité d' informations de localisation très précises sur la position d' un utilisateur ne doit pas aboutir à une situation où les utilisateurs seraient sous surveillance permanente , sans aucun moyen de protéger leur vie privée si ce n' est en renonçant totalement à utiliser des services de communications mobiles . Un nouvel article concernant les données de localisation non couvertes par l' article 6 sur les données relatives au trafic est proposé . Il stipule que ces données ne peuvent être utilisées qu' avec le consentement de l' abonné , et en offrant aux abonnés et aux utilisateurs un moyen simple d' interdire temporairement le traitement de leurs données de localisation à l' instar de ce qui est prévu à l' article 10 pour l' identification de la ligne appelante . Les seules exceptions au principe du consentement préalable sont l' utilisation des données de localisation par les services d' urgence et les dérogations existantes dont bénéficient les États membres à des fins de sécurité publique , de sûreté de l' État , et pour les recherches d' infractions pénales . L' article 11 prévoit la possibilité d' empêcher la suppression du traitement des données de localisation , selon les principes des dispositions existantes permettant aux services d' urgence d' outrepasser la suppression de l' identification de la ligne appelante . Tout comme aux États-Unis , la commission Européenne impose aux opérateurs de télécommunications de fournir lors d' appels d' urgence , la position des utilisateurs ( directive 2002 / 22 / EC ) . À la différence des États-Unis , où la FCC impose aux opérateurs de télécommunications certaines performances concernant la précision de la localisation , la Commission Européenne demande aux opérateurs exploitant un réseau de radiocommunication cellulaire ( de type GSM ) sur l' un des différents territoires de l' union , de faire du mieux possible pour fournir la localisation des terminaux passant ces appels d' urgence . Ainsi , il n' y a aucune contrainte quant aux performances des systèmes à mettre en place . La seule raison que les opérateurs ont à mettre en place des systèmes de localisation performant est la possibilité de tirer de nouveaux revenus des nouveaux services engendrés par la localisation . Jusqu'à aujourd'hui , la principale méthode , mise en place par les différents opérateurs de télécommunications pour satisfaire cette directive , est la méthode d' identification de la cellule ( Cell ID ) à partir de laquelle l' appel est passé . Cette méthode de localisation très peu coûteuse à mettre en place leur permet de satisfaire cette directive européenne . Cependant , la qualité de la localisation retournée dépend de l' environnement , et donc de la densité de stations de base . Cette technique fournit une localisation assez précise dans des environnements urbains , où les réseaux sont dits micro cellulaires , tandis que dans des environnements ruraux , la taille des cellules est de plusieurs dizaines de kilomètres ce qui dégrade fortement la précision de la localisation [ 85 ] . Avec la mise en place du système de navigation par satellite Galileo , la communauté Européenne imposera aux différentes collectivités territoriales ( pompiers , police ) d' utiliser ce nouveau service de navigation . Ainsi , ce nouveau système de navigation s' imposera dans les années à venir , et sera probablement intégré aux différents équipements mobiles se trouvant en Europe , à l' image du GPS aux États-Unis . Plusieurs projets de recherche sur la localisation ont été lancés par l' Union Européenne . Le projet EMILY [ ? ] terminé en 2004 a visé à introduire la localisation à partir du réseau GSMGSMGlobal System for Mobile Communications et du GPS . Le projet LIAISON [ ? ] se termine en 2008 et vise à mettre en place une architecture intégrant différentes technologies de localisation et à introduire des services autour du système de localisation GALILEO . 3 Les moyens de localisation actuels à grande échelle 3.1 Les systèmes satellitaires La navigation par satellites a commencé à partir des années 1970 . Trois systèmes satellitaires ont été explorés avant la mise en place du système GPS ( Global Positioning System ) . Il y a eu le système U.S. Navy Navigation Satellite System aussi connu sous le nom de Transit , puis le système U.S . Navy's TIMATION ( TIMe navigATION - 1964 ) et enfin le projet U.S. Air Force 621B. Le programme TRANSIT a été le premier à utiliser les émissions continues d' ondes à partir de satellites . À l' origine il était prévu qu' il soit utilisé pour détecter la position des missiles , des sous-marins et autres navires . Il a été mis à disposition des applications civiles à partir de 1967 . L' apport de cette technique est qu' elle permet de mesurer l' effet Doppler du au déplacement des satellites . Son principal inconvénient est sa lenteur d' acquisition . De plus ce système composé de sept satellites était insuffisant pour offrir un service de localisation sans interruption . Il arrivait que le service de localisation reste indisponible pendant plusieurs heures . Le système TRANSIT était donc inadapté à la localisation d' objets à grande mobilité comme les avions par exemple . De son côté , le projet TIMATION a exploré l' utilisation des horloges atomiques afin d' améliorer la prédiction des orbites des satellites et de réduire le taux de rafraîchissement des corrections à apporter à partir des stations de contrôle terrestre . Pour cette expérimentation , seulement deux satellites ont été mis en orbite ( le premier en 1967 ) . À leur bord , des oscillateurs très stables ont été embarqués , puis des horloges au césium et rubidium ont été testées . Ces deux satellites du programme TIMATION ont été utilisés comme prototypes pour la mise en place du GPS . Le programme 621B a exploité l' émission de codes PNPNPseudo Noise ( Pseudo Noise ) pour moduler une porteuse ( 1972 ) . Les travaux menés lors de ce projet devaient délivrer la position dans l' espace ( longitude , latitude et altitude ) d' un équipement tout en ayant une couverture du service la plus continue possible . Afin de juger de l' efficacité des code PN , une expérimentation grandeur nature a été mise en place à White Sands Proving Ground ( Nouveau Mexique ) avec des ballons embarquant des transmetteurs afin de reproduire le plus fidèlement possible les satellites . Le résultat de cette expérimentation ont été très positifs , puisqu' ils ont démontré la possibilité de localiser un avion au centième de miles près [ 106 ] . Le système NAVSTAR GPS a vu le jour en décembre 1973 . Les deux derniers systèmes présentés ont été développés de manière concurrentielle par l' US NAVY pour TIMATION et par l' US AIR FORCE pour le projet 621B. Chacun de ces organismes a recherché à améliorer les performances de son propre système satellitaire . Le département de la défense Américain ( Department Of Defense - DODDODDepartment Of Defense ) a décidé d' unir les avantages des deux parties pour donner naissance au système actuel connu sous l' acronyme GPS . La structure des signaux et les fréquences retenues viennent du système 621B , tandis que système d' orbite des satellites vient du système proposé par TIMATION ( avec une altitude supérieure , car leur temps de révolution autour de la Terre est de 12h contre 8h initialement prévu dans le système de l' US NAVY ) . L' utilisation d' horloges atomiques était commune aux deux systèmes . On voit par là l' importance qu' ont joué les militaires Américains dans la mise en place d' un système de navigation par satellite . Aujourd'hui , c' est le DOD qui contrôle le système GPS et dispose du droit de dégrader les performances du système . Jusqu'en Mai 2000 , sous la présidence de Clinton , deux systèmes GPS ont cohabité . L' un a été utilisé pour les applications militaires , et l' autre pour les applications civiles . Les performances de ces deux systèmes ne sont pas les mêmes . Les militaires Américains ont dégradé volontairement les signaux GPS afin que l' erreur d' estimation de positionnement soit plus importante pour les terminaux civils . On comprend bien que ces autorités militaires peuvent supprimer la disponibilité du service à tout moment . Toutes ces menaces qui peuvent paralyser un pays si le service de localisation n' est plus disponible ont conduit certains pays à mettre en place leur propre système de localisation . Les Soviétiques ont alors lancé un programme concurrent au GPS et qui se nomme GLONASSGLONASSGLObal NAvigation Satellite System ( GLObal NAvigation Satellite System ) . Depuis , les Chinois essaient aussi de mettre en place leur propre système avec Beidou [ ? ] , et maintenant avec la mise en place de l' Union Européenne , Galileo sera disponible à partir de 2008 - 2010 . Ces différents systèmes de navigation par satellites sont abordés par la suite afin d' étudier les performances atteignables par chacun de ces systèmes en terme de localisation . 3.1.1 Le système de navigation GPS Aujourd'hui , le système GPS est contraint par plusieurs paramètres qui sont les suivants : 1 . L' erreur quadratique moyenne sur l' estimation de la position doit être comprise entre 10 et 30m . 2 . La possibilité de localiser des objets se déplaçant très rapidement comme des avions par exemple . 3 . Une disponibilité du service sur tout le globe . L' inclinaison des plans orbitaux des satellites ont été choisis de manière à optimiser la qualité de la constellation au dessus des Etats-Unis . Par contre dans les zones polaires les satellites sont très bas sur l' horizon , ce qui rend le positionnement plus difficile . 4 . Les signaux transmis par les satellites doivent être robustes aux interférences intentionnelles comme non-intentionnelles ( point critique pour les applications militaires ) . 5 . Les récepteurs GPS ne doivent pas avoir besoin d' une horloge atomique pour avoir une localisation qui soit précise ( problème du coût du terminal ) . 6 . Le " cold start " d' un récepteur doit être de quelques minutes en non pas de quelques heures . 7 . La taille de l' antenne de réception doit être relativement petite . 8 . L' atténuation en espace libre des signaux doit être raisonnablement petite . 9 . Une longue vie pour les satellites de la constellation Les quelques points précédemment cités concernent le cahier des charges imposé pour la mise en place du système GPS . La bande de fréquences retenue pour les signaux GPS est la bande L ( bande de 1 à 2 GHz et plus particulièrement celle autour de 1.5 GHz ) . Principe de la localisation par GPS : la trilatération Naturellement , il est possible de connaître la position d' un point de l' espace , si on a toutes les distances séparant cette position avec d' autres positions connues de l' espace . La figure 1 illustre ce principe . Figure 1 : Principe du GPS dans un espace 1-D Si un des équipement U ( satellite ou mobile ) effectue une mesure et détermine que la distance le séparant du satellite , dans ce cas , il existe deux positions possibles pour U , soit à la gauche de , soit à sa droite . Afin de lever cette ambiguïté en position , il est nécessaire d' utiliser un second satellite . Ici c' est qui permet de lever cette ambiguïté . estime que la distance le séparant de l' équipement U est , dans ce cas la seule position possible est celle indiquée par U sur la figure 1 . Tout comme pour la localisation dans un espace à une dimension , il est possible de procéder de la même manière pour déterminer la position d' un équipement dans un espace à deux ou trois dimensions . Figure 2 : Principe du GPS dans un espace 2-D Dans cette configuration , il est nécessaire de disposer de trois satellites à partir desquels desquels on mesure trois distances . Le lieu géométrique correspondant au lieu se trouvant à une distance donnée d' un point fixe est un cercle dans le cas bidimensionnel . La figure 2 montre que deux satellites conduisent à l' estimation de deux positions dans l' espace . Un troisième cercle est nécessaire pour déterminer la position unique qu' occupe l' utilisateur . De la même manière , on aboutit au fait qu' il est nécessaire de disposer de quatre satellites pour avoir un positionnement dans un espace à trois dimensions . Dans cet espace le lieu géométrique correspondant est une sphère de rayon la distance satellite / utilisateur . On sait que l' intersection de deux sphères est un cercle . L' intersection de ce cercle avec un sphère donne deux points de l' espace et la dernière sphère détermine laquelle des positions est occupée par le mobile . Ce principe de base à la localisation est tout à fait transposable au système GPS . Les satellites GPS émettent en permanence des données d' éphéméride . Ces données contiennent diverses informations comme l' état du satellite , ou sa position dans le repère WGS84 . Un utilisateur recherchant à se localiser mesure la distance qui le sépare du satellite en question grâce à ce signal . En effectuant des mesures de ce type avec d' autres satellites , l' utilisateur recueille un nombre suffisant d' informations pour se localiser . Dans le raisonnement qui précède , on prend comme hypothèse que l' estimation des distances se fait très précisément et qu' aucun biais n' existe entre les horloges des satellites et du récepteur . Ceci n' est pas réalisé , car il existe toujours un biais constant entre les horloges des satellites , et celle du terminal . Les horloges présentent dans les satellites sont des horloges atomiques , donc très chères tandis que celle du terminal est une horloge peu chère , afin de réduire le coût d' achat des équipements de localisation par GPS . Pour lever cette ambiguïté sur le biais entre les horloges , un satellite supplémentaire est nécessaire . Pour obtenir une localisation à trois dimensions , un cinquième satellite doit être utilisé . Il arrive que cinq satellites ne soient pas disponibles en une position sur la Terre . Dans ce cas , la position du mobile peut quand même être estimée car une des solutions retournée par le système de localisation se trouve proche de la Terre , tandis que l' autre se retrouve projetée dans l' espace à une distance lointaine de la Terre . Formulation mathématique de la position du terminal mobile Pour déterminer la position d' un mobile , il faut connaître les distances le séparant de chacun des satellites visibles de sa position [ 116 ] . Dans le cas où cette mesure de distance est précise ( voir figure 2 ) , les satellites se trouvent à la distance avec les coordonnées du satellite avec et le mobile est à une distance où est la position de l' équipement à localiser . Si chacune de ces distances est connue , il est possible d' écrire le système suivant : ( 1 ) On dispose d' un système de trois équations à trois inconnues . La détermination de la position du mobile se fait en résolvant ce système d' équations . Théoriquement , il existe deux ensembles de solution puisque ces équations sont du second ordre . Les méthodes de résolutions employées effectuent une linéarisation des équations et résolvent le système itérativement . L' obtention de la position des satellites se fait par la réception d' un message provenant du satellite et contenant cette information de position . Une description des informations contenues dans ces trames est fournie dans [ 116 ] . L' estimation de la distance satellite / mobile est faite par la mesure des pseudoranges . Chaque satellite émet un message à l' instant . Le mobile reçoit le message à un instant plus tard noté . Dans ce cas la distance séparant le mobile de chaque satellite est donnée par : ( 2 ) avec c la célérité des ondes dans le milieu considéré ( ici c' est la vitesse de la lumière qui est prise ) , la valeur exacte de la distance séparant le mobile du satellite i , la valeur exacte de l' instant de départ d' émission du message et la valeur exacte de l' instant de réception de ce message . Cependant , mesurer précisément ce temp n' est pas simple . Généralement , les valeurs qui sont mesurées sont de la forme suivante : ( 3 ) ( 4 ) avec un biais sur l' estimation de l' horloge du satellite i et un biais sur l' estimation de l' horloge du récepteur . En tenant compte de l' ensemble des sources de dégradation des pseudoranges , il est possible de les réécrire d' une manière plus réaliste : ( 5 ) où est l' erreur due à l' estimation de la position du satellite , le retard introduit sur la propagation des ondes lors de la traversée de la troposphère , le retard introduit sur la propagation des ondes lors de la traversée de la ionosphère , l' erreur de mesure due au bruit du récepteur et la correction relativiste du temps . Le terminal peut corriger certaines de ces erreurs comme celles introduites par la troposphère ou la ionosphère ( à condition de disposer d' un récepteur fonctionnant à deux fréquences différentes . Le retard obtenu entre ces deux fréquences permet d' estimer l' erreur introduite par la propagation dans l' atmosphère ) . Par contre , d' autres erreurs ne peuvent pas être corrigées grâce aux données reçues . C' est le cas pour le défaut de synchronisation entre l' horloge du récepteur et celles des satellites . Les pseudo ranges s' écrivent alors de la manière suivante : ( 6 ) où est le biais sur l' horloge du récepteur ici exprimé en distance . Afin de résoudre ce système d' équations , une équation supplémentaire est nécessaire . La réception du signal d' un quatrième satellite est nécessaire pour localiser le mobile . Lorsque chacune de ces pseudoranges est estimée , on obtient un système d' équations non linéaires . Après une étape de linéarisation , le système se résout par la méthode itérative des moindres carrés . Une méthode de résolution est proposée dans [ 116 ] . Influence de la géométrie du problème Parfois moins de quatre satellites sont disponibles . Cela semble suffisant au premier abord pour déterminer la position du mobile puisque cela correspond au nombre d' indéterminées . Cependant les résultats retournés par les algorithmes ne sont pas satisfaisants . La géométrie du problème entre en jeu quant à la solution finale retournée par l' algorithme . La figure 2 présente une géométrie idéale car tous les cercles s' intersectent en un seul point facilement repérable à l' oe il nu . Dans cette configuration , l' algorithme n' a aucun problème pour déterminer la solution du système qui se trouve être très proche de la solution réelle . La figure 3 présente une situation dans laquelle suffisamment d' équations sont disponibles à la résolution du système , mais une grosse erreur sur l' estimation de la position du mobile est quand même observée . Figure 3 : Satellites et utilisateur alignés Les cercles noirs représentent la distance mesurée entre chacun des satellites et le mobile sans tenir compte du biais existant entre les horloges , tandis que les cercles rouges représentent les mêmes distances mais en tenant compte cette fois du bais existant entre les deux horloges . Cette configuration montre que la détermination de la position précise du mobile peut être difficile . L' erreur d' estimation commise est plus grande dans cette configuration géométrique du fait que les cercles sont tangents les uns aux autres . Or il est difficile de déterminer précisément la position du point de tangente de plusieurs cercles . Un critère pour déterminer si la configuration est favorable à une bonne estimation de la position du mobile , est celui du calcul de l' aire du triangle que forme ces satellites . Plus cette aire est proche de zéro , plus la situation géométrique conduit à une situation où les cercles sont tangents et plus l' erreur d' estimation est importante tandis que dans la configuration présentée par la figure 2 , la valeur de l' aire est importante et conduit à une bonne estimation de la position du mobile . Un paramètre permettant d' estimer la précision obtenue à partir de la configuration géométrique des satellites et du mobile permet d' évaluer la confiance à apporter à une mesure . Ce paramètre est la dilution de précision géométrique ( Geometric Dilution Of Precision ) aussi noté GDOPGDOPGeometric Dilution Of Precision . Ce paramètre dépend uniquement de la géométrie de la configuration de mesure [ 114 ] . La définition mathématique associée à ce paramètre est : ( 7 ) où est l' erreur moyenne commise sur chaque pseudorange . La dilution de précision en position ( Position Dilution Of Precision ou PDOPPDOPPosition Dilution Of Precision ) est donnée par : ( 8 ) La dilution de précision horizontale est définie par : ( 9 ) La dilution de précision verticale est définie par : ( 10 ) et enfin la dilution de précision temporelle par : ( 11 ) Plus la dilution de précision est faible plus la situation est favorable à la localisation du mobile . Dans les situations optimales , le volume engendré par les quatre satellites est maximal . Les valeurs de dilution de la précision sont quantifiée dans le tableau 4 . Table 4 : Valeurs de dilution de précision DOP Le problème de la géométrie de la configuration dans laquelle les mesures sont effectuées est transposable aux autres méthodes de localisation temporelles comme celui de la différence de temps d' arrivée qui sera présenté plus tard . Les satellites La constellation de satellites est composées de 24 satellites tournant autour de la Terre suivant six orbites différentes . Chaque orbite est à 55 ° par rapport à l' équateur . Les orbites sont séparées d' un angle de 60 ° afin de pouvoir couvrir les 260 °. Le rayon de chacune des orbites est de 26560 km . Cette orbite est telle que les satellites effectuent un tour de la Terre en un jour sidéral . Les quatre satellites se trouvant sur une orbite ne se trouvent pas à équidistance sur cette dernière . Deux des satellites sont séparés d' un angle de 30.0 à 32.1 degrés . Les deux autres satellites font un angle de 92.28 - 130.98 degrés avec les trois autres satellites . Cet espacement a été mis en place afin de minimiser les effets de non fonctionnement d' un des satellites . Théoriquement un récepteur GPS doit en tout point de la Terre capter entre 4 et 11 satellites . En tenant compte des caractéristiques de la Terre ( forme ellipsoïdale ) , le temps de parcours des ondes entre un satellite et un point sur la Terre doit être compris entre 67 ms ( 20192 km / c ) et 86 ms ( 25785 km / c ) où c est la vitesse de la lumière . Il est aussi nécessaire que l' angle d' ouverture des antennes embarquées à bord des satellites soit de 13.87 degrés . Les antennes fonctionnent dans la bande et disposent d' un angle d' ouverture de 21.3 °. Celles de la bande ont angle d' ouverture de 23.4 °. La puissance d' émission des satellites est de 478.63 watts ( soit 56.8 dBm ) en sortie de l' antenne . Le bilan de liaison montre que la puissance en réception est de la forme : ( 12 ) avec l' aire effective de l' antenne de réception , la distance séparant le satellite de l' utilisateur et la longueur d' onde émise . Or cette distance varie suivant la position occupée par l' utilisateur sur la Terre . En effet , on a : ( 13 ) En considérant que la puissance d' émission du satellite est de et que la longueur d' onde émise est dans ces conditions , la puissance en réception est donnée par : ( 14 ) ( 15 ) La puissance minimale détectable par un récepteur GPS doit être de si l' on tient compte des pertes introduites par l' atmosphère . Trois fréquences sont utilisées pour l' émission de ces signaux . Ces fréquences sont de multiples de la fréquence 10.23 MHz . Les fréquences retenues pour ce système sont : & 226;& 128;& 162; L 1 = 1575.42 MHz = 15410.23 MHz & 226;& 128;& 162; L 2 = 1227.6 MHz = 12010.23 MHz & 226;& 128;& 162; L 5 = 1176.45 MHz = 11510.23 MHz Deux types de signaux sont transmis par ces satellites . Il y a le signal basé sur le code dit coarse / acquisition ( C / A ) et celui sur le code de précision ( P ) . Ce code de précision n' est pas transmis directement par le satellite . Il est modifié par le code Y pour donner le code final transmis qui est souvent noté . Ce dernier code n' est pas accessible pour les applications civiles . Il est en place pour les applications militaires . Le tableau 5 résume les codes disponibles sur chacune des fréquences d' émission . Table 5 : Fréquences d' émission et codes disponibles [ ? ] Type de code - Fréquence Le signal émis s' écrit de la manière suivante : ( 16 ) avec l' amplitude du bit de code du code P , la phase du bit courant du code P et l' information . De la même manière , défini l' amplitude du code C / A et la phase du bit courant du code C / A . Afin de garantir la localisation du terminal , les niveaux des signaux en réception sont donnés par le tableau 6 . Table 6 : Niveau du signal GPS minimum en réception Comme la Terre n' est pas parfaitement ronde , mais plutôt elliptique , et qu' il est préférable que la puissance reçue provenant de chaque satellite soit sensiblement identique en tout point de la Terre , il est nécessaire d' agir sur le diagramme de rayonnement des antennes d' émission des satellites . Le diagramme de rayonnement des antennes des satellites retenu est présenté sur la figure 4 . Figure 4 : Diagramme de rayonnement des antennes des satellites Performances et fournisseurs de GPS Les performances du systèmes GPS sont assez variées , car elles dépendent d' une part de la géométrie de la configuration de mesure ( voir ) , mais aussi de l' environnement dans lequel se trouve le récepteur GPS ( visibilité directe avec les satellites , canyons urbains , etc ) . La qualité des récepteurs GPS peut aussi limiter les performances du système . En effet , les récepteurs travaillant sur les bandes L1 et L2 peuvent diminuer l' erreur d' estimation due à la traversée de la ionosphère , tandis que les récepteurs monofréquence ( sur la bande L1 ) ne peuvent pas effectuer cette correction . Cette erreur sur l' estimation de la distance satellite / récepteur peut aller jusque 30 m ( voir tableau 7 ) . Table 7 : Erreurs de localisation introduites par les erreurs Source d' erreur 3.1.2 Les améliorations du système GPS Plusieurs éléments contribuent à détériorer les performances du système GPS , comme la traversée de l' atmosphère par les ondes , ou la traversée de certains matériaux entourant le récepteur GPS ( comme des bâtiments par exemple ) . Certaines applications nécessitent que ces dégradations soient minimisées , comme dans l' aviation où la position exacte d' un avion par rapport à la piste est nécessaire , ou en agriculture lors de l' épandage de pesticides par les airs . Différentes approches sont proposées afin de minimiser l' effet des dégradations naturelles ou imputables à l' homme . Le GPS assisté Le système de GPS assisté ( Assisted GPS ou A-GPS ) cherche à améliorer le rapport signal a bruit des signaux en réception . Aujourd'hui , le niveau de signal détectable par les récepteurs GPS est de . Ce niveau est insuffisant lorsque les signaux traversent certains matériaux ( cas de la localisation dans les bâtiments ) . L' idée consiste à améliorer le rapport signal à bruit . Ce système effectue des corrélations sur un temps plus important afin d' avoir un pic de corrélation plus élevé pour les faibles rapports signal à bruit . Pour cela , des informations supplémentaires , comme les satellites en visibilité , sont transmises au terminal . Des stations de bases terrestres transmettent ces informations au terminal [ 115 ] . Le terminal se focalise sur le traitement pour les satellites en visibilité . Comme le terminal n' a plus besoin de scanner tous les satellites pour savoir s' ils sont visibles de sa position , il peut effectuer des acquisitions plus longues pour les satellites intéressants . Le terminal ne doit plus rechercher les satellites en visibilité comme dans le GPS traditionnel . La structure du réseau A-GPS est donnée par la figure 5 . Figure 5 : Principe du fonctionnement de l' A-GPS Le récepteur GPS n' a donc plus besoin de décoder les trames d' information provenant des satellites ( le décodage pouvant être source d' erreur dans certaines situations à cause de la faible puissance des niveaux de signal ) . La figure 8 illustre la différence existante au niveau de la recherche des codes présents dans le signal entre un récepteur GPS classique et un récepteur A-GPS . Table 8 : Représentation Fréquence / Code de la recherche du pic de corrélation en GPS ( figure de gauche ) et AGPS ( figure de droite ) La recherche du pic de corrélation n' est effectuée que sur une petite partie du résultat par rapport à celui du système GPS . Cette limitation du domaine de recherche ( ici représenté par la boite ) diminue considérablement le temps de recherche et d' accrochage des satellites ( diminution du cold start ) . Le GPS assisté donne quelques résultats dans les environnements indoor qui ne sont pas couverts par le GPS standard . Le temps économisé lors de la recherche des satellites en visibilité est réutilisé pour intégrer plus longuement les codes présents dans le signal capté . Ce temps d' intégration peut être plus de dix fois plus long que celui consacré par un récepteur GPS standard . Cet accroissement du temps de traitement engendre un gain en sensibilité d' une dizaine de dB. Le GPS assisté permet ainsi de se localiser dans certains environnements qui ne sont pas couverts par le GPS standard . La figure 6 présente le niveau du signal détectable en fonction du temps de traitement . Figure 6 : Niveau de signal détectable en fonction du temps de traitement Cependant ces informations supplémentaires aidant le terminal GPS ne sont pas toujours suffisantes pour permettre de se localiser à l' intérieur des bâtiments [ 103 , 102 ] . Pour remédier à cela , la société Global Locate propose d' effectuer de nombreuses corrélations en parallèle dans le récepteur . Leur récepteur intègre 16000 corrélateurs en parallèle . Ce grand nombre de corrélateurs permet de rechercher en parallèle tous les retards possibles et d' accroître le temps d' acquisition pour la recherche d' un signal ayant un niveau encore plus faible que celui détectable par un récepteur A-GPS . Ce récepteur effectue des recherches de codes sur plusieurs millisecondes . En accroissant la durée de recherche , le gain de traitement se retrouve encore augmenté . La figure 6 montre que pour détecter un signal GPS atténué d' une trentaine de dB , il faut plus d' une trentaine de secondes de traitement . Si un récepteur GPS passe 10 secondes , pour chaque retard , à explorer chaque sous bande de fréquence ( drift dû à l' effet Doppler [ ? ] ) , dans ces conditions , la vérification des 1023 retards possibles se fait en . Or si une telle période de temps est nécessaire , le satellite aura très certainement bougé , et le doppler qui lui sera associé à ce nouveau moment sera très certainement différent ( variation de 5 Hz possible ) . Dans un tel cas , la corrélation massive devient nécessaire pour explorer beaucoup plus rapidement tous les retards possibles pour chacun des codes identifiant les satellites , et ceci pour plusieurs satellites . Si le temps d' acquisition nécessaire pour détecter un satellite en indoor est de 10 secondes , il est possible de rechercher tous les retards possibles en parallèle . Le chipset GL-HSRF couplé au GL- 16000 ( produit par Global Locate ) dispose de 16000 corrélateurs en parallèle . Dans ce cas , la recherche des déphasages entre les codes est effectuée en même temps pour les 1023 retards possibles , et simultanément pour 15 satellites ( ) . Avec ce système , des durées traitement plus longues sont envisageables sans réellement nuire à la condition de temps réel de la position délivrée par l' équipement ( voir tableau 9 ) . Table 9 : Performances des systèmes A-GPS 23 cmNom de la compagnie Le système DGPS Le système DGPSDGPSDifferential GPS ( Differential GPS ) améliore les performances du système GPS en transmettant au terminal des informations sur l' écart entre les positions indiquées par les satellites et les positions réelles connues de stations de base terrestres . Le récepteur reçoit la différence entre les pseudo-distances mesurées par les satellites et les véritables pseudo-distances et corrige ainsi ses mesures de positions . Le service de navigation DGPS complète le système mondial de localisation GPS NAVSTAR en fournissant des facteurs de correction pour les pseudo-distances et des informations auxiliaires . Ces informations sont diffusées à l' aide d' un réseau de stations terrestres implantées à des emplacements stratégiques . Ce service permet d' offrir une précision horizontale de 10 mètres ( ou mieux ) 95 % du temps dans toutes les zones couvertes . Contrairement au système A-GPS dans lequel les stations de bases terrestres fournissent les informations concernant les satellites en visibilité , ici aucune information de ce type n' est fournie au récepteur . Un récepteur doit scanner tous les codes et fréquences possibles afin de déterminer les satellites en visibilité . Un tel système n' est vraiment efficace que dans des environnements sans contrainte de masquage et contenant peu de multi-trajets . Le GPS différentiel est souvent utilisé dans des espaces maritimes , pour fournir précisément aux navires leur position et leur permettre d' éviter les récifs ou haut fonds , ou lors de l' approche des avions sur les pistes d' atterrissage par exemple , ou bien encore en agriculture pour la pulvérisation sur de grandes parcelles [ ? ] . Comme pour le système A-GPS , un réseau de stations de bases terrestres est mis en place pour couvrir une zone . Les stations terrestres connaissent très précisément leur position sur la Terre . Elles effectuent en permanence une localisation pas GPS , et extraient des informations provenant des satellites en visibilité afin d' obtenir une estimation de leur position via le système GPS . Souvent la position connue de la station terrestre ( qui est immobile ) est différente de celle qui est obtenue par les mesures GPS . La station de base détermine précisément les corrections à affecter à chacune des pseudo distances mesurées afin que la position réelle de la station et celle retournée par GPS coïncident [ ? ] . Cette méthode supprime toutes les erreurs provenant de la traversée des couches atmosphériques ( Ionosphère et troposphère ) car ces éléments sont spatialement corrélés . Pour que ce type de localisation soit efficace , l' équipement mobile doit se trouver à proximité de la station effectuant les corrections . Généralement la zone de couverture est de l' ordre de 50 kilomètres pour des zones terrestres . En dehors de cette zone de couverture , les données reçues en provenance des stations de base du système DGPS ne peuvent plus être prises en compte car leur utilisation risque de conduire à une plus grande erreur de positionnement . Le tableau 10 propose une comparaison des performances entre un récepteur DGPS et un récepteur GPS standard . Table 10 : Comparaison des variances d' erreur Type d' appareil Actuellement , les dégradations intentionnelles des signaux GPS pour les applications civiles ( SA - Selective Availibility ) ne sont plus actives mais ce système permet de lutter efficacement contre les autres sources de dégradation des pseudo distances [ ? ] . Cependant , les erreurs introduites par le phénomène de multi-trajets ne peuvent être corrigées par ce système [ ? ] . Le système GPS par mesure de différence de phase ou aussi Real Time Kinematic ( RTK ) Dans les techniques précédentes , c' est le déphasage de code qui est utilisé ( techniques de corrélation de code ) . Une autre manière d' aborder le problème d' estimation de la distance satellites / récepteur , est de mesurer le déphasage des ondes électromagnétiques . Les ondes émises sont des sinusoïdes ( ou porteuses ) . Il est possible de déterminer la phase de cette onde à chaque instant . Connaissant la phase à l' émission , on détermine le déphasage de l' onde émise par rapport à l' instant d' émission . La mesure différentielle de phase repose sur le principe du phénomène Doppler . Ici , les satellites sont mobiles et l' utilisateur est immobile . Si la distance séparant le satellite de l' utilisateur est constante , dans ce cas la phase reste identique au cours du temps . Dans le cas où le satellite a une trajectoire rectiligne et qu' il s' approche du récepteur puis s' en éloigne alors le déphasage augmente dans un premier temps puis décroît lorsque le satellite s' éloigne du récepteur . Or la variation de la fréquence à laquelle le récepteur reçoit le signal du satellite dépend de la position du satellite , de sa vitesse et de la précision de l' information temporelle ( éphémérides ) . À partir une série d' au moins quatre valeurs de changement de fréquence ( ou de phase ) , on extrait des facteurs de correction similaires à ceux obtenus lorsque l' on corrige les pseudo distances en DGPS . Ces facteurs de correction sont exploités pour corriger les mesures conduisant à l' estimation de la position fixe du mobile . La différence entre cette technique et le DGPS est que dans le système DGPS , les facteurs de correction sont obtenus par des corrélation de codes PN , tandis qu' ici c' est la mesure Doppler qui permet de corriger les distances . La figure 7 illustre la différence entre les informations utilisées pour la localisation à savoir la différence entre déphasage de code et déphasage de la porteuse . Figure 7 : Comparaison DGPS / mesure du déphasage La société Real Time Kinematics ( RTKRTKReal Time Kinematics ) produit des récepteurs GPS à très haute sensibilité basés sur ce principe de mesure . Le GPS centimétrique utilise une particularité des signaux GPS : ceux -ci sont transmis sur deux fréquences différentes , notées L1 et L2 . ( L 1 = 1.57542 GHz , L2 = 1.22760 GHz ) . L1 ayant une longueur d' onde de , il est possible , en mesurant les décalages de phases , d' obtenir un positionnement précis à quelques millimètres près , modulo 19 cm . La résolution de l' ambiguïté se fait soit en initialisant le GPS en un point dont la position est connue avec une très grande précision ( clou IGNIGNInstitut géographique national ) , soit par des algorithmes d' initialisation . Dans les modèles récents de GPS centimétriques , cette phase d' initialisation dure environ une minute et peut s' effectuer pendant le déplacement du véhicule , contrairement aux premiers modèles dont la phase d' initialisation était bien plus longue et exigeait un arrêt du véhicule , rendant leur utilisation dans des applications automobiles peu pratique . La principale limitation technique des GPS centimétriques à l' heure actuelle est que les récepteurs doivent disposer de leur propre base de référence pour les corrections d' erreurs , sachant que le récepteur RTK ne doit pas s' éloigner de plus de de cette base , contrairement aux GPS différentiels qui utilisent des signaux de correction plus accessibles , par radio ou par satellites . La figure 8 présente le fonctionnement de ce système GPS . Figure 8 : Principe du système GPS par mesure de différence de phase Pour se localiser précisément , il est nécessaire de lever l' ambiguïté sur la phase de l' onde reçue . [ ? ] propose des techniques de filtrage ou méthodes géométriques pour lever cette ambiguïté . Pour déterminer la distance séparant le satellite du terminal , une première estimation de la position est effectuée en utilisant les codes PN puis la mesure de déphasage permet peu à peu d' affiner cette estimation grossière . Le système Wide Area Augmentation System ( WAAS ) Ce système a été mis au point aux États-Unis par l' Administration Fédérale de l' Aviation ( FAAFAAFederal Aviation Administration ) pour corriger les erreurs du système GPS en temps réel et arriver à une meilleure précision ( ) . Un réseau d' une trentaine de stations de bases terrestres servent de référence . Les signaux GPS provenant de différentes satellites sont captés par ces stations de base ( WRSsWRSsWide Area Ground Reference stations - Wide Area Ground Reference stations ) . Chacune des stations terrestres détermine les facteurs de correction à affecter pour chacun des satellites afin d' obtenir une localisation plus précise . Ces WRSs sont liées entre elles pour former le réseau WAASWAASWide Area Augmentation System . Chaque station esclave fournit ses résultats à une station maître ( WMSWMSWide Area Master Station - Wide Area Master Station ) qui calcule les facteurs correctifs . Ce WMS détermine des facteurs de correction et vérifie l' intégrité du système . Un message est préparé et expédié vers des satellites géosynchrones via des stations dédiées ( GUSGUSGround Uplink System - Ground Uplink System ) . Ensuite ce message est diffusé par les satellites géosynchrones vers des avions par exemple , en utilisant la fréquence GPS L1 ( L 1 = 1575.42 MHz ) . Pour que ces données soient utilisables , les avions doivent se trouver dans la zone de couverture ( ou zone de validité de la correction ) des stations WAAS [ ? ] . Ces corrections réduisent l' effet des dégradations introduites par la traversée des couches atmosphériques ainsi que les erreurs dues aux éphémérides . La figure 9 présente la zone où le système WAAS est disponible . Figure 9 : Principe de l' estimation de la distance récepteur / satellite GPS Les corrections sont disponibles en Amérique du Nord gratuitement et peuvent être captées par tous les GPS compatibles WAAS , sans équipement supplémentaire . En Europe un système identique est en construction et commence à être disponible depuis 2004 sous le nom d' EGNOS ( Geostationary Navigation Overlay Service ) . La correction est reçue gratuitement par les GPS compatibles WAAS . En Asie , il y aura un système similaire avec le MSASMSASJapanese Multi-Function Satellite Augmentation System ( Japanese Multi-Function Satellite Augmentation System ) . Par la suite , les utilisateurs de GPS des autres régions disposeront certainement de ce système de correction des positions GPS . Actuellement , deux satellites géostationnaires couvrent des zones WAAS . Les satellites Inmarsat IIIs couvrent les régions Pacifique ( PORPORPacific Ocean Region - Pacific Ocean Region ) , et Atlantique ( AOR-WAOR-WAtlantic Ocean Region-West - Atlantic Ocean Region-West Region-West ) . La partie Européenne est couverte par Inmarsat ( AOR-EAOR-EAtlantic Ocean region-East - Atlantic Ocean region-East ) tout comme la région de l' ocean Indien ( IORIORIndian Ocean Region - Indian Ocean Region ) . Le satellite ARTEMIS , lancé par l' ESAESAEuropean Space Agency ( European Space Agency ) , est aussi utilisé pour l' extension de la zone WAAS . 3.1.3 Les alternatives au système GPS Le système de localisation GPS n' est pas le seul à être en activité actuellement . Les militaires Russes ont mis en place un système similaire pour rivaliser avec les États-Unis durant les années 1980 . De plus , les militaires Américains ont dégradé volontairement les signaux GPS jusqu'en 2000 afin que les autres utilisateurs ne disposent pas de la précision la plus importante disponible avec ce système . Le système de navigation Russe est le système GLONASS . Actuellement , l' Union Européenne met en place Galileo qui permettra de concurrencer ces deux systèmes en place et qui sera la propriété intégrale de l' Union Européenne et de l' ESA . GLONASS Le système GLONASS utilise 24 satellites évoluant sur 3 plans à une altitude de 19 100 kilomètres . Le programme GLONASS a débuté en 1982 et a été déclaré complètement opérationnel en 1993 par les autorités russes . Les difficultés financières qu' a connu l' Union Soviétique et la faible durée de vie des satellites ( 2 à 3 ans ) ont entraîné une lente dégradation de la constellation . Actuellement le système fonctionne en mode dégradé avec sept satellites opérationnels . Ce système est utilisé en géodésie en effectuant des mesures de phase . Un programme de redéploiement du système GLONASS est en cours . De nouveaux satellites de type " GLONASS-M " , bénéficiant d' une durée de vie plus longue ( 7 à 8 ans ) et de meilleures caractéristiques de transmission , vont être lancés prochainement . La reconstitution complète de la constellation devrait intervenir en 2006 . Le système GLONASS n' est pas interopérable avec le système GPS mais le sera avec le futur système européen GALILEO . Une comparaison entre les systèmes GPS et GLONASS est proposée dans [ ? , ? ] . L' intérêt de ce système de navigation réside en sa robustesse aux interférences . Chaque satellite émet sur sa propre fréquence ( FDMAFDMAFrequency Division Multiple Access ) . Les satellites balaient une plus grande région du globe notamment les regions nord du fait des caractéristiques de la constellation de satellites et du plan d' inclinaison . Le principal défaut du système est qu' il n' est guère entretenu . L' entretien des satellites est très onéreux et du fait que les autorités russes manquent de moyens financiers , aujourd'hui seulement sept satellites sur les vingt quatre sont opérationnels . Galileo Après une longue période d' incertitude , le programme GALILEO voit le jour . Il est mené conjointement par l' Union Européenne et l' ESA ( Agence Spatiale Européenne ) . Son but est de doter l' Europe d' une alternative civile fiable face au système de positionnement militaire américain , le GPS . De conception plus récente , GALILEO sera un peu plus perfectionné que le GPS et délivrera un message d' intégrité de l' information fournie . GALILEO ne sera pas fondamentalement différent de GPS . Il utilisera une constellation de 30 satellites de 700 kg chacun , disposés sur trois plans inclinés à 56 ° par rapport à l' équateur et gravitant à 23 500 km d' altitude . Chaque rotation durera 14 heures environ . La constellation sera gérée par un réseau mondial de stations terrestres . Les satellites émettront sur plusieurs fréquences allant de 1164 à 1591 MHz , y compris certaines fréquences utilisées par le système GPS , comme la fréquence L1 . La puissance d' émission sera de 50 Watts environ . Certains signaux émis seront réservés aux services commerciaux et aux services publics . Parmi les services proposés par GALILEO , on trouve un " service ouvert " gratuit à l' usage du grand public . Ce service permettra un positionnement plus précis que celui proposé actuellement par le GPS , sans fournir toutefois de message d' intégrité . Dans le cadre de ce service ouvert , deux types de récepteurs verront le jour : des appareils mono fréquence économiques et des appareils hybrides plus précis combinant la réception des signaux GALILEO et GPS . Le programme EGNOS sera intégré au service GALILEO , ce qui permettra d' accroître les performances de ce dernier . La précision annoncée du service grand public de GALILEO est de " quelques mètres " , qualificatif qui demande à être précisé . Le calendrier du programme GALILEO passe par une phase de développement et de validation qui s' est étendue jusqu'en 2005 , avec le lancement de deux satellites et la mise en place d' une infrastructure terrestre minimale . Ensuite vient la phase de déploiement qui doit être assez rapide ( deux ans ) car il est prévu de mettre en orbite jusqu'à huit satellites à chaque lancement . GALILEO devrait être opérationnel en 2008 - 2010 pour un coût de 3.5 milliards d' Euros environ [ ? ] . Le système Galileo émettra dix signaux différents répartis de la manière suivante : & 226;& 128;& 162; 6 pour les services gratuits & 226;& 128;& 162; 2 pour les services commerciaux & 226;& 128;& 162; 2 pour le service public réglementé Les services prévus dans le cadre de Galileo sont : & 226;& 128;& 162; le service ouvert ( ou OSOSOpen Service pour Open Service ) : comme le service gratuit offert par le GPS , mais la précision est plus grande ( de l' ordre d' un mètre ) . Aucune information d' intégrité n' est assurée . C' est ce service qui sera principalement utilisé par les particuliers ; & 226;& 128;& 162; le service commercial ( ou CSCSCommercial Service pour Commercial Service ) : le service est payant , la précision est améliorée par rapport au service ouvert , il est également possible de diffuser des informations cryptées à l' aide de 2 signaux supplémentaires . Ce sont principalement les abonnements à ce service qui assureront le financement de Galileo ; & 226;& 128;& 162; le service de sécurité des personnes ( ou SOLSOLSafety Of Life pour Safety Of Life service ) : identique au service ouvert , mais avec la fourniture de l' information d' intégrité . Ce service sera utilisé pour toutes les applications où des vies humaines seront en danger si la qualité du signal s' affaiblit ; & 226;& 128;& 162; le service public réglementé ( ou PRSPRSPublic Regulated Service pour Public Regulated Service ) : la fiabilité du service est améliorée . Ce service sera réservé aux administrations comme les pompiers , la protection civile ou encore la police . Il devra être disponible en tout temps , utilise deux signaux à part et dispose de plusieurs systèmes prévenant un brouillage ou un leurrage du signal ; & 226;& 128;& 162; le service de recherche et secours ( ou SARSARSearch And Rescue Service pour Search And Rescue service ) : destiné à la recherche des émetteurs d' alerte , possibilité d' avoir un accusé de réception sur une alerte . La réglementation et la définition des fonctions sont sous la charge de l' Organisation Maritime Internationale ( OMIOMIOrganisation Maritime Internationale ) et de l' Organisation de l' Aviation Civile Internationale ( OACIOACIOrganisation de l' Aviation Civile Internationale ) GALILEO présente plusieurs avantages par rapport au GPS : & 226;& 128;& 162; Il est conçu et élaboré sur une base civile tout en intégrant dûment les protections nécessaires en matière de sécurité . À la différence du GPS à vocation essentiellement militaire , GALILEO offre , pour certains services , des garanties juridiques de fonctionnement exigées par les sociétés modernes , en particulier en matière de responsabilité contractuelle & 226;& 128;& 162; Il est basé sur la même technologie que le GPS et offre un degré de précision similaire , voire supérieur en raison de la structure de la constellation de satellites et des systèmes terrestres de contrôle et de gestion prévus ; & 226;& 128;& 162; Il possède une fiabilité supérieure car il comprend un " message d' intégrité " informant immédiatement l' utilisateur des erreurs qui apparaissent . À la différence du GPS , GALILEO sera reçu dans les régions situées à des latitudes extrêmes ; & 226;& 128;& 162; Il constitue un véritable service public et offre à ce titre une garantie de continuité de services pour certaines applications . Au contraire , il existe au cours des dernières années plusieurs exemples d' indisponibilité involontaire ou intentionnelle des signaux GPS , parfois sans préavis . Toutefois , GALILEO est aussi complémentaire au système GPS dans la mesure où : & 226;& 128;& 162; L' utilisation harmonieuse des deux infrastructures ( double source ) apporte un réel avantage en terme de précision et de sécurité en cas de défaillance de l' un des deux systèmes ; & 226;& 128;& 162; L' existence de deux systèmes indépendants est bénéfique pour tous les utilisateurs qui pourront recevoir les signaux GPS et GALILEO sur un seul et même récepteur . La Commission Européenne et l' ESA tiennent beaucoup à la relation complémentaire et interopérable entre Galileo et GPS pour fournir aux utilisateurs dans le monde entier des services améliorés et plus sûrs . Le programme EGNOSEGNOSEuropean Geostationary Navigation Overlay Service améliore sensiblement les services offerts en Europe par les constellations de satellites GPS et GLONASS . Développé depuis 1993 , EGNOS augmente le nombre des signaux GPS , leur apporte une correction différentielle et leur confie un message d' intégrité . EGNOS est aussi appelé à être intégré dans GALILEO . La complémentarité entre le GPS et GALILEO permet à l' Europe d' apparaître comme un partenaire crédible pour les États-Unis . La localisation par des réseaux de satellites est très utilisée de nos jours , surtout avec la mise en place du réseau GPS . Depuis la suppression des dégradations S / A , l' intégration de puces GPS dans de plus en plus d' objets courants s' est intensifiée ces dernières années . Ceci permet de réduire les prix de production de ces chipsets . Le système GPS appartient à part entière aux États-Unis qui peuvent décider de dégrader les performances de ce système temporairement et/ou localement afin que d' autres utilisateurs ne bénéficient plus des meilleures performances . Le système GLONASS apparu au début des années 1980 , et plus récemment , le système Galileo dont la la mise en place se poursuit permettent aux différents utilisateurs de ces deux services de ne plus craindre cette menace de dégradation temporaire . L' augmentation du nombre de systèmes de navigation permettra d' améliorer les performances d' un système plus général qui utilisera chacune de ces constellations de satellites . Dans les années à venir , les terminaux pourront exploiter plusieurs systèmes GNSS . Dans certaines situations critiques , lorsque trois ou quatre satellites GPS sont en visibilité , le système qui captera aussi les signaux émis par le système Galileo délivrera une position plus précise . 3.2 Les systèmes de localisation par réseaux terrestres Aujourd'hui , de nombreux réseaux cellulaires ou sans fil existent . Ces réseaux communiquent avec les équipements mobiles par radio . Le premier système de ce type est le système LORAN C dans les années 1960 . Ensuite les réseaux comme le GSM et l' UMTS ou le réseau de TNTTNTTélédiffusion Numérique Terrestre ( Télédiffusion Numérique Terrestre ) sont apparus pour relayer le système LORAN CLORANLOng RAnge Navigation . L' exploitation de ces différents réseaux terrestres est une nouvelle source potentielle de revenus pour les propriétaires de ces réseaux ( opérateurs de télécommunication par exemple ) . Un désavantage de ces systèmes de localisation est que la portée de chacune de ces stations terrestres est limitée . Pour les réseaux de télécommunication , le réseau est construit de manière à ce que les cellules se juxtaposent les unes à côté des autres en évitant autant que possible les recouvrements entre cellules ( optimisation des réseaux cellulaires ) afin de couvrir le plus grand territoire avec le minimum de stations terrestres . Comme pour le système GPS , un certain nombre d' informations provenant de plusieurs stations terrestres est nécessaire pour localiser un équipement mobile . La portée de chacune des stations de base est limitée à une zone bien précise , plus ou moins grande suivant l' environnement , et la disponibilité de plusieurs stations de base pour une position n' est pas garantie surtout dans des situations de visibilité directe ( très grand éloignement entre les stations de base ) . Des systèmes de localisation exploitent ces réseaux terrestres et sont abordés par la suite avec les techniques de localisation qui leurs sont associées . 3.2.1 Le système LORAN C LORAN est le premier réseau terrestre utilisé pour la localisation . Ce système de navigation a été développé pour fournir un service de radio navigation aux gardes côtes Américains , le long de leur littoral . Ce système de navigation a été utilisé pour la première fois sous une forme archaïque durant la seconde guerre mondiale . Loran C est basé sur la mesure de la différence de temps d' arrivée des ondes provenant de deux stations terrestres différentes . Le lieu géométrique représenté par cette différence de temps est une hyperbole ( ligne de position ( LOPLOPLine Of POsition ) hyperbolique - figure 10 ) . Pour fonctionner , il est nécessaire de connaître la position de chacune des stations terrestres et les stations terrestres doivent être synchronisées entre elles ( référence de temps commune ) afin de comparer les instants d' arrivée des différents signaux . Dans le cadre de LORAN , il y a une des stations qui sert de référence à toutes les autres ( la station maître , les autres stations sont dites esclaves ) . Figure 10 : LOP pour une station de base LORAN ( Baie de New-York ) L' opération de localisation se déroule de la manière suivante : le mobile calcule la différence de temps d' arrivée entre la station maître et une station esclave , ce qui fournit une LOP . Une seconde LOP est obtenue en mesurant une seconde différence de temps entre la station maître et une seconde station esclave . L' intersection de ces deux LOP conduit à la position du mobile . La navigation se fait à l' aide de cartes pré-établies . Le récepteur LORAN n' effectue pas de calculs de positionnement . Des cartes marines comme celle exposée 10 décrivent les différents retards observables . L' intersection des différentes LOP conduit à une estimation de la position du navire . Dans les récepteurs modernes , ce ne sont plus les différences de temps qui sont affichées , mais la latitude et la longitude correspondante . Ce système relativement ancien souffre des dégradations dues aux conditions climatiques ( effet électrique du temps ) et aux particules ionisées de l' air ( à l' aube et au crépuscule ) . Les multi-trajets perturbent aussi ces mesures . Normalement , c' est l' onde terrestre qui est la plus importante ( onde suivant la surface de la Terre ) . Cependant , la nuit , l' onde se réfléchissant sur la ionosphère peut devenir prépondérante . Or cette onde est en retard par rapport à l' onde terrestre et introduit une erreur au niveau de la mesure de la différence de temps . Plusieurs versions de LORAN ont été mises en place . La première version ( et la moins précise ) est LORAN A. Ce système a été utilisé pendant longtemps pour le faible coût de ses récepteurs et sa grande popularité auprès du public . Mais il est peu à peu remplacé par le système LORAN C qui est plus précis . Ce système mis en place dans les années 1970 , a eu des applications civiles et a été utilisé par les gardes côtes Américains . La couverture prévue pour ce système était l' intégralité des États-Unis , les côtes Européennes , et une partie de l' Asie de l' est . L' US Air Force a travaillé aussi sur un système tout à fait comparable à LORAN C et appelé LORAN D , avec pour but des applications militaires . Il est possible de se localiser par ce système de navigation mais la précision de ce système est moins bonne que celle obtenue avec le système GPS . Les précisions données pour ce système de navigation sont de l' ordre de . Pour des applications de navigation maritime , cette précision était suffisante avant l' arrivée du GPS . Ce programme LORAN devait se terminer à la fin des années 1990 , mais sera opérationnel durant la première décennie du 21 siècle du fait du faible coût des récepteurs [ ? ] . De nombreuses applications misent plutôt sur la combinaison du système GPS avec LORAN pour obtenir une localisation assez précise surtout dans les environnements difficilement couverts par le GPS [ ? ] . 3.2.2 La localisation par la Télévision Numérique Terrestre L' émergence de nouveaux réseaux de communication permet de délivrer une localisation dans les endroits non couverts par le système GPS . Les réseaux terrestres permettent généralement de disposer de signaux , au niveau du récepteur , dont le niveau est plus important que ceux provenant des satellites GPS . L' apparition de nouvelles techniques ( modulations numériques par rapport aux modulations analogiques ) sont autant de nouvelles pistes à suivre pour évaluer les performances en terme de localisation de ces nouveaux systèmes . La télédiffusion numérique terrestre ( TNT ) est une bonne candidate pour la localisation . L' entreprise Américaine ( ROSUM [ ? ] ) a débuté des travaux sur l' évaluation des performances de la localisation par la TNT . Le signal de télévision numérique , défini aux États-Unis suivant le standard American Television Standard Committee ( ATSCATSCAmerican Television Standard Committee ) , comporte des signaux de synchronisation utilisables en localisation . Dans les environnements difficiles , le niveau des signaux de télévision numérique est supérieur à ceux du GPS d' une quarantaine de décibels . Par rapport au GPS , les signaux ne sont pas affectés par l' effet Doppler de l' émetteur ( les stations de base étant fixes et donc de position connue ) et les effets dus à la traversée de la ionosphère sont inexistants . Ces signaux de synchronisation ne subissent pas autant de perturbations que les signaux GPS . Enfin , les signaux TV sont à de faibles fréquences 470 - 870 MHz . Leur propagation est bien adaptée aux environnements urbains . Le système proposé par ROSUM [ ? , ? ] repose sur l' utilisation des signaux de synchronisation présents dans chaque segment ( quatre symboles de synchronisation par segment , et 626 segments par trame ) . Dans les trames transmises , certains segments sont spécialement dédiés à la synchronisation [ ? ] . Les avantages de ce moyen de localisation par rapport au GPS sont : & 226;& 128;& 162; Les signaux sont émis à partir d' antennes de position connue & 226;& 128;& 162; Les signaux émis sont dimensionnés pour qu' une antenne TV se trouvant à l' intérieur d' un bâtiment puisse les recevoir & 226;& 128;& 162; La distance séparant un récepteur d' un émetteur comprise entre 25 à 75 km & 226;& 128;& 162; Le positionnement peut-être effectué avec un seul des signaux TV parmi les nombreux signaux disponibles émis par une station de base . & 226;& 128;& 162; La bande des signaux est de 6 à 8 MHz et toute cette bande est disponible pour faire de la localisation . De ce fait , la précision temporelle est plus importante que celle du GPS . ROSUM exploite les mesures du temps d' arrivée des signaux , analogue à celle du GPS ( Dr Spilker , un des fondateur de ROSUM , a aussi participé à la mise en place du GPS ) . Des pseudo-ranges sont extraites des signaux en employant des données temporelles relatives à l' instant d' émission des données . Les bursts de synchronisation sont les instants servant de référence pour le calcul des différences de temps . Il est nécessaire que des signaux soient captés d' au moins trois émetteurs TV différents . ROSUM emploie des unités de contrôle récupérant aussi ces signaux TV dans le voisinage du mobile à localiser , afin d' extraire des informations sur la dérive de chacune des horloges des émetteurs . Ces données collectées sont transmises à une centrale de localisation qui effectue le calcul de la position de l' équipement . Pour rendre le système disponible sur tout le territoire Américain , un réseau d' unités de contrôle est déployé et leur nombre s' élèverait à 200 environ [ ? ] . Le principe de fonctionnement du système est illustré 11 . Figure 11 : Principe de fonctionnement de la mesure des pseudo ranges Les développements liés à cette technique de localisation sont présentés dans [ ? ] . Actuellement , le système proposé par ROSUM est intégré dans des terminaux mobiles comportant d' un côté un GPS et de l' autre un tuner TV numérique [ ? ] afin de recevoir les signaux de télédiffusion numérique . 11 illustre les situations dans lesquelles ces systèmes deviennent complémentaires . Table 11 : Principe de fonctionnement du système de localisation de ROSUM Les précisions annoncées pour ce système de localisation vont de 3 à 25 m . Cette localisation est intéressante car avec l' apparition du service de télévision sur les téléphones mobiles et avec la mise en place de réglementation E911 pour la VoIPVoIPVoice over IP , la solution proposée par ROSUM est un candidat très sérieux pour remplir le cahier des charges de la localisation des terminaux mobiles . 3.2.3 La localisation via les réseaux de téléphonie Les réseaux de télécommunications ont connu un essor important au cours des années 1990 . De nombreuses stations de base transmettant des signaux de téléphonie mobile ont été installées . À l' origine , bon nombre de ces réseaux cellulaires n' étaient pas destinés à d' autres applications que de communiquer et transmettre des informations . L' arrivée de réglementations , comme celle imposée par la FCC ( voir 2.2 ) , et les avancées technologiques ont permis à de nombreux opérateurs de télécommunications de mettre en place de nouveaux services pouvant rapportant des revenus supplémentaires . Cependant , un certain nombre de difficultés subsistent quant à l' utilisation de ces réseaux et notamment le réseau GSM dont l' aspect localisation des équipements mobiles ne fait pas partie de la norme . Leur réadaptation n' est pas toujours très simple et est souvent très coûteuse . Les précisions attendues de ces réseaux ne sont pas toujours suffisantes pour certaines applications comme notamment la localisation précise à la rue près pour des applications de sécurité des personnes ( E911 ) . La localisation par réseau GSM Les applications de localisation à l' aide du réseau GSM sont apparues au début des années 2000 . C' est d' abord au Japon et aux États-Unis avec le E- 911 que ces besoins de localisation ont apparu . L' exploitation du réseau GSM à des fins de localisation a été proposée . Des études ont montré que des revenus peuvent être générés par les services de localisation [ ? , ? , ? ] et de plus en plus d' opérateurs de téléphonie s' y sont intéressés . Ces revenus pourraient s' élever à quelques 7 ou 8 milliards de dollars . Figure 12 : Structure du réseau GSM pour les applications de localisation Plusieurs techniques de localisation existent . On trouve des méthodes d' identification de la cellule dans laquelle se trouve le mobile ( méthode de Cell ID ou Cell Identification ) , puis des méthodes plus complexes basées sur des mesures temporelles ( estimation de la distance entre chacune des stations de base et le mobile ) comme TOATOATime Of Arrival ( Time Of Arrival ) ou TDOATDOATime Difference Of Arrival ( Time difference Of Arrival ) . Enfin , l' utilisation des directions d' arrivée avec la méthode AOAAOAAngle Of Arrival ( Angle Of Arrival ) conduit aussi à l' identification de la position occupée par le mobile . Chacune de ces méthodes est développée par la suite car elles sont aussi proposées pour les réseaux de nouvelle génération de type UMTS . Comme le montre la figure 12 , il est nécessaire d' ajouter des éléments de synchronisation dans le réseau afin d' employer certaines des techniques de localisation citées précédemment . Dans le réseau GSM tel qu' il était prévu initialement , les stations de base ne sont pas synchronisées entre elles , or les méthodes de localisation temporelles nécessitent que les stations de base soient synchrones . Des éléments notés LMULMULocation Measurement Unit ( Location Measurement Unit ) sont installés pour fournir une synchronisation entre ces différentes stations de base . Ce type de réseau n' est pas nécessairement adapté pour les applications actuelles recherchant parfois une localisation à quelques mètres près ( application de E112 ) . Dans certains environnements , comme en rural , très peu de stations de base sont disponibles . Ceci rend très difficile une localisation très précise . Si une seule station de base est disponible , la meilleure localisation que l' on peut attendre , est celle à la cellule ou voir au secteur lié à cette station de base . Afin de répondre à ces situations , de nouveaux réseaux sont nécessaires . L' UMTS offre des performances supérieures en qualité de transmission d' informations ( débits supérieurs ) , mais aussi en terme de localisation car ce service fait partie intégrante de la norme associée aux réseaux de troisième génération . La localisation par le réseau UMTS Depuis fin 2004 , les opérateurs commencent à proposer à leurs clients en France un service de téléphonie de troisième génération ou UMTS . Des fonctionnalités de localisation sont prévues dans la norme UMTS comme présenté par le 3GPP [ ? ] . Cependant , le type de service de géolocalisation pour l' usager n' est pas imposé dans les spécifications techniques de l' UMTS . Le 3GPP défini un ensemble de méthodes permettant d' estimer la position géographique du terminal à l' aide de l' infrastructure du réseau . Les opérateurs de télécommunications et les fournisseurs de services doivent exploiter la valeur estimée de la position de l' équipement mobile ( UEUEUser Equipment ) pour développer et personnaliser eux-mêmes leur offre . Les services de localisation dans la terminologie du 3 GPP 3 GPP 3 rd Generation Partnership Project sont désignés par le sigle LCSLCSLoCation Services pour LoCation Services . Contrairement au réseau GSM , la notion de localisation est prévue dans ce standard . La structure du réseau mise en place comporte obligatoirement des éléments permettant d' effectuer ces opérations de localisation . La structure typique pour le réseau UMTS est donnée par la figure 13 . Figure 13 : Structure du réseau UMTS pour les applications de localisation SASStand Alone SMLC Les éléments du réseau participant à la localisation sont : & 226;& 128;& 162; Le centre de localisation du mobile ( SRNCSRNCServing Radio Network Controller - Serving Radio Network Controller ) qui a la charge d' estimer la position de l' UE , c' est à dire ses coordonnées géographiques en deux ou trois dimensions . À la différence du réseau GSM où le SMLCSMLCServing Mobile Location Centre peut être un élément à part , dans un réseau UMTS régi par la Release 99 , les fonctions du SMLC sont directement intégrées dans le SRNC de l' UTRANUTRANUniversal Terrestrial Radio Access Network . & 226;& 128;& 162; Le routeur du centre de localisation du mobile ( GMLCGMLCGateway Mobile Location Center - Gateway Mobile Location Center ) représente le noe ud d' entrée au PLMNPLMNPublic Land Mobile Network ( Public Land Mobile Network ) qui fournit le service d' estimation de la position des terminaux . En collaboration avec le HLRHLRHome Location Register ( Home Location Register ) , il effectue les tâches d' autorisation et d' authentification des serveurs externes qui sollicitent des informations liées à la position géographique de l' abonné . Les serveurs externes à l' origine de ces requêtes sont appelés " clients LCS " . Le GMLC est aussi chargé de transmettre aux éléments du réseau concernés la QoSQoSQuality of Service ( Quality Of Service ) requise par le client LCS . En fonction de la QoS , le SMLC choisit la technique la plus adaptée parmi celles supportées par le réseau et suivant les capacités matérielles et logicielles de l' UE . & 226;& 128;& 162; L' unité de prélèvement de mesures de localisation ( Location Measurement Unit ou LMU ) sert de support au SMLC en effectuant les mesures radio requises par la technique de localisation mise en oe uvre. Ces mesures concernent principalement les paramètres RTDRTDRound Time Difference ( Round Time Difference ) et RTTRTTRound Trip Time ( Round Time Trip ) présentés par la suite lors de la description des méthodes de localisation associées à ce type de réseaux . Lorsque cette unité est intégrée dans le Node B , elle est appelée " LMU type B " sinon elle est appelée " LMU type A " . Ceci permet d' avoir une vue d' ensemble sur la configuration des entités fonctionnelles impliquées dans l' offre de service de géolocalisation dans les réseaux GSM et UMTS . Cependant , il est nécessaire d' associer des techniques de localisation permettant de prédire la position d' un équipement mobile en fonction des données mesurées disponibles . Les techniques de localisation associées aux réseaux GSM et UMTS La localisation à la cellule ou " Cell ID " Cette méthode dite " à la cellule près " est la plus simple et la moins onéreuse à mettre en place car elle est compatible avec tous les terminaux existants . Elle ne nécessite que l' émission d' un signal aller-retour de signalisation avec l' utilisateur . Le téléphone mobile est localisé par l' identification de la cellule à laquelle appartient l' antenne à travers laquelle la communication est transmise . Figure 14 : Principe de la localisation à la cellule et ses variantes Le temps de calcul de la position est très court . Il s' agit seulement du temps de recherche dans la base de données de la position à partir de l' identifiant de la cellule . Cette technique n' est toutefois pas très précise . Elle situe une personne à 250 mètres près en zone urbaine où le réseau est dense contre une dizaine de kilomètres en milieu rural [ ? ] , ce qui correspond à la plus grande taille de cellule . Des raffinements sont possibles lorsque les antennes de ces stations de base sont sectorisées . En général , les antennes des stations de base sont constituées de plusieurs antennes dites sectorielles ( secteur de 60 ° ) . Il est possible de remonter au secteur dans lequel se trouve le mobile afin de réduire la zone d' incertitude . Cette méthode n' est donc pas très précise dans les zones où une simple BTS couvre un grand territoire . Dans les villes où les opérateurs ont installé plusieurs BTS pour mieux desservir les utilisateurs , les cellules couvrent une zone longue de quelques centaines de mètres , ce qui accroît la précision du système . Malgré son manque de précision , la majorité des opérateurs l' ont toutefois choisie pour le E- 112 en raison de son faible coût de mise en place . La localisation par temps d' arrivée ou trilatération L' amélioration de la localisation passe par l' obtention d' informations plus précises que le secteur de la station de base à partir duquel duquel les communications transitent . Il est nécessaire de disposer d' informations directement liées à la distance séparant l' équipement mobile de la BTS . Des informations temporelles sont utilisables , comme c' est le cas pour le GPS ( voir 3.1.1 ) . Ce mode de localisation par trilatération est applicable aux réseaux de type GSM et UMTS . Cette technique nécessite une assez bonne synchronisation entre les BTSBTSBase Transceiver Station et les mobiles , ce qui n' est généralement pas le cas . À la place de travailler avec des temps d' arrivée , le système travaille avec des différences de temps qui sont équivalentes à des différences de marche . En procédant de cette manière , le problème de synchronisation équipement mobile / BTS est résolu . Pour que la localisation soit possible , il est nécessaire de capter une BTS supplémentaire par rapport à la technique TOA . Cette station supplémentaire sert de référence temporelle . Ces techniques de localisation par différence de temps sont nommées TDOA ( Time Difference Of Arrival ) et EOTD ( Enhanced Observed Time Difference ) . La technique de localisation Uplink Time Difference of Arrival ( U-TDOAU-TDOAUplink TDOA ) Cette méthode de localisation est utilisée car elle permet de s' affranchir de l' étape de synchronisation entre l' équipement mobile et les stations de base . Ici , c' est l' équipement mobile qui émet des trames contenant des slots pour la localisation . Ce type de localisation n' est applicable qu' aux mobiles se trouvant à proximité des stations de base . La localisation s' effectue en deux étapes . Dans un premier temps , on estime les différences de temps . L' équipement mobile émet un signal qui arrive à des instants différents au niveau de chacune des BTS . Un serveur central récupère ces différents signaux en provenance des BTS et détermine la différence de temps d' arrivée entre les signaux . Deux techniques différentes existent pour l' estimation de ces différences de temps : & 226;& 128;& 162; Soustraction des temps d' arrivée ( TOA ) de chacune des BTS & 226;& 128;& 162; Corrélation des deux signaux provenant des BTS La seconde méthode est plus généralement connue sous le nom de Cross-Corrélation Généralisée ( GCCGCCGeneralized Cross-Correlation ) [ ? ] . Elle est considérée comme plus robuste . La figure 15 décrit le principe de fonctionnement de ce détecteur . Figure 15 : Détecteur TDOA La résolution du problème mathématique lié à cette situation , n' est pas aussi simple que celle du problème de TOA . Une méthode consiste à minimiser une fonction d' erreur entre le temps d' arrivée réel et le temps d' arrivée associé à la position estimée . D' autres méthodes de résolution sont présentées dans [ ? , ? , ? , ? ] . L' avantage de cette méthode est que l' équipement mobile ne nécessite aucun changement . Toute la complexité du système est placée au niveau du réseau , et la mise en place de cette méthode de localisation dépend uniquement de l' opérateur . Si des améliorations de la technique de localisation sont à effectuer , dans ce cas , l' opérateur n' a pas besoin de rappeler tous les terminaux distribués à ses abonnés pour effectuer une mise à jour . Une telle contrainte n' est pas à négliger pour un opérateur de télécommunications . La technique Enhanced Observed Time Difference ( E-OTD ) Dans la méthode U-TDOA , c' est l' équipement mobile qui émet des trames , et c' est le réseau qui effectue la différence de temps afin de déterminer la position de cet équipement . Ici , l' équipement mobile détermine lui même sa position à partir des signaux reçus de différentes BTS , tout en employant des mesures de différences de temps d' arrivée . La méthode E-OTD nécessite une remise à niveau du réseau GSM déjà en place avec l' ajout de LMU ( Location Measurements Units ) pour compenser le fait que les BTS du réseau GSM ne sont pas synchronisées . Ces unités de mesures représentent un coût supplémentaire pour l' opérateur lors de la mise en place du service . Les LMU sont des éléments hardware supplémentaires rajoutés au réseau GSM pour réaliser des mesures précises de différences de temps entre les signaux provenant des différentes BTS . Le LMU mesure les différences de temps relatives entre chacune des BTS à partir des burst émis périodiquement et de façon prévisible . Les données remontant des LMU sont utilisées par le système pour déterminer la position du mobile . Le standard GSM définit deux modes de fonctionnement pour ces LMU . Il existe deux types de LMU ( figure 12 ) : & 226;& 128;& 162; Les LMU de type A : les LMU de type A sont des LMU dont les échanges avec le réseau GSM s' effectuent par l' intermédiaire d' une interface radio sans fils [ ? ] & 226;& 128;& 162; Les LMU de type B : les LMU de type B sont des LMU interrogeables par le BSCBSCBase Station Controller ( Base Station Controller ) à travers l' interface Abis Ces deux types de LMU sont supportés par le standard GSM . Table 12 : Classes de LMU [ ? ] décrit les autres éléments du réseau . L' architecture centrée BSSBSSBase Station Sub-system a comme avantage de ne pas avoir besoin de remonter des informations vers le MSCMSCMobile Services Switching Center / VLRVLRVisitor Location Register ni le HLR . Ceci réduit les flux de signalisation dans le réseau sous système ( NSSNSSNetwork Sub-System ) . Cette configuration nécessite des échanges radio qui sont souvent difficiles . Pour la solution basée sur les LMU de type B , il faut générer des flots de trafic de signalisation entre le LMU et le réseau BTS . Cette solution permet de réduire le nombre d' éléments supplémentaires à introduire dans l' application LCS . Des tests effectués par Nokia sur cette architecture , montrent que les flots de signalisation engendrés sont 50 fois plus importants que pour un réseau normal . Des études de coût sur la mise en place des différentes architectures réseau montrent que plusieurs BSC peuvent être mis à jour dans une architecture BSS centrée pour le prix de la mise à jour d' un SMLC dans une architecture NSS centrée [ ? ] . De plus l' architecture BSS est l' architecture retenue pour l' UMTS . La figure 16 illustre une situation de localisation par E-OTD . Figure 16 : Schéma de description de la technique E-OTD [ ? ] présente les développements associés à cette technique de localisation . Ces développements prennent en compte les différences de synchronisation existantes entre les BTS du réseau . La détermination de la position du mobile s' effectue par un algorithme minimisant l' erreur entre chacune des différences de temps mesurées et les différences de temps associées à la position estimée du mobile . Le processus se déroule itérativement . De nombreux ouvrages traitent des méthodes de résolution de ces problèmes [ ? , ? ] . On peut citer la méthode des moindres carrés , ou alors la méthode de Newton par exemple . Les principales sources d' erreurs sont généralement les multi-trajets . Ces multi-trajets rendent plus difficile l' estimation de l' instant d' arrivée du premier trajet . D' un autre côté , le défaut de synchronisation des stations de base conduit aussi à une erreur sur l' estimation exacte de ces différences de temps . Cette erreur peut aller de à si la synchronisation n' est pas correcte . Les LMU permettent de corriger cette erreur . La dérive de l' horloge des BTS conduit à des erreurs de localisation . En GSM , l' horloge commune à la génération des deux fréquences est précise à ( génération des fréquences et de l' horloge servant de base de temps ) . Cette même horloge est utilisable pour toutes les BTS . La désynchronisation des stations de base influence la valeur de différence de temps géométrique . Il est généralement pris comme hypothèse que la dérive des horloges est linéaire et affecte de la même manière toutes les BTS . Dans ce cas , cet effet est considéré comme négligeable . Cette méthode de localisation est proposée par Cambridge Positioning Systems [ ? ] . Elle est déjà mise en place sur certains réseaux GSM . Dans le cadre de la norme UMTS , la même technique de localisation existe , mais elle se retrouve sous le sigle OTDOA ( Observed Time Difference Of Arrival ) OTDOAObserved Time Difference Of Arrival . La localisation par direction d' arrivée La technique de localisation par direction d' arrivée ne repose pas sur des mesures de temps d' arrivée mais sur des mesures de directions d' arrivée des ondes au niveau des BTS . Pour effectuer ces mesures , il est nécessaire de disposer de réseaux d' antennes estimant les directions d' arrivée . Le réseau d' antennes placé sur une BTS permet de déterminer une ligne de l' espace sur laquelle se trouve l' équipement mobile . Si au moins deux BTS délivrent chacune une droite dans l' espace sur laquelle se trouve le mobile , alors l' intersection de ces deux lignes est unique et correspond à la position occupée par l' équipement mobile . À cause des fortes dégradations des signaux radio , il faut exploiter les données provenant de deux BTS au moins . La figure 17 illustre ce principe de localisation . Figure 17 : Principe de la localisation AOA Les algorithmes ESPRIT [ ? ] et MUSIC [ ? ] sont utilisés pour extraire ces directions d' arrivée . Cependant , cette localisation est très imprécise dans les situations d' alignement . La localisation par fingerprinting La technique de fingerprinting est utilisée pour déterminer la localisation d' un équipement mobile à partir de données brutes provenant de rapports disponibles au niveau du BSC . À la différence des techniques précédentes , cette technique requiert une étape de calibration . Le mot fingerprinting vient du terme " fingerprint " qui signifie empreinte digitale . Pour fonctionner , cette technique nécessite une base de données qui à certaines positions de l' environnement considéré associe un ensemble d' éléments caractérisant cette position . Ces éléments doivent permettre de différencier chacune des positions par rapport aux autres positions de l' environnement . Si cette condition n' est pas réalisée dans ce cas les éléments considérés pour composer cette " emprunte " ne sont pas significatifs . Les éléments pouvant être considérés pour composer ces empreintes sont la puissance du signal , la réponse impulsionnelle du canal , les directions d' arrivées , le temps d' arrivée par exemple . Une composition de plusieurs de ces éléments est acceptable . Une précaution est nécessaire . L' environnement radio doit rester stable durant la période au cours de laquelle on veut proposer le service de localisation . L' exploitation de cette technique de localisation pour les environnements indoor est courante [ 1 , 5 ] . Par la suite , les signatures seront composées des puissances du signal reçu . Au niveau du terminal mobile , la puissance du signal reçu possède comme caractéristiques de s' atténuer en fonction de la distance , et de subir des atténuations successives suivants les phénomènes radio ( réflexion , diffraction , transmission , scattering ) auxquels elle est soumise . Une forme simple de la puissance du signal reçu en une position de l' espace est donnée par : ( 17 ) avec la longueur d' onde , la position de l' antenne émettrice , un terme caractérisant la propagation dans le milieu ( dans le cas de la propagation en espace libre [ ? ] ) , et la distance séparant l' émetteur du récepteur . En prenant le logarithme de cette expression , puis en soustrayant cette équation à une mesure effectuée à une distance connue ( ) , on supprime les données relatives au système ( , et ) . On aboutit à l' équation suivante : ( 18 ) correspond à la distance associée à la position . La monotonie de cette dernière équation est illustrée par la figure 18 . Figure 18 : Illustration du modèle de propagation On observe une décroissance de la puissance du signal en fonction de la distance . D' autres modèles de propagation sont utilisables . Ils tiennent compte de l' environnement de propagation comme par exemple des murs à l' intérieur des bâtiments [ 41 , 1 ] . Ces modèles introduisent des coefficients liés à l' atténuation du signal lorsqu' il traverse des murs . Ces coefficients sont estimés à partir de mesures d' étalonnage car l' atténuation varie d' un matériau à l' autre . Ces modèles montrent que la puissance du signal est un bon élément pour la constitution de la base de données de fingerprinting [ 2 ] , puisqu' elle varie en fonction de la distance . Idéalement , cette décroissante se fait suivant une ligne de niveau ressemblant à un cercle ( dans un espace 2D ) mais elle est déformée suivant les obstacles présents dans l' environnement . Plusieurs positions de l' espace possèdent la même valeur de puissance captée . Il est nécessaire de prendre en compte plusieurs puissances provenant d' émetteurs distincts , chacun générant une ligne de niveau . Ces lignes de niveau sont corrélées entre elles , et doivent s' intercepter en un point du plan qui est la position occupée par l' équipement . Comme ces lignes de niveau sont plus ou moins concentriques , deux de ces lignes de niveau vont avoir au moins deux intersections . Il est nécessaire de considérer au moins trois de ces lignes de niveau pour obtenir la position . Le tableau 13 présente la forme prise par la base de données . Table 13 : Exemple de bases de données La base de données est une table de correspondance entre l' espace des puissances et l' espace des positions . À une position correspond un n-uplet de puissances de signal reçu . L' étape de localisation consiste à effectuer l' opération inverse , à savoir , mesurant un n-uplet d' informations , on cherche dans la table le n-uplet correspondant le mieux à celui mesuré suivant un critère . Une fois qu' un n-uplet est détecté dans la base de données , on considère que le mobile occupe la position retournée par la position extraite de la base de données . Les techniques pour détecter ce n-uplet sont multiples . Il existe des techniques simples consistant à rechercher le plus proche voisin du n-uplet mesuré suivant le critère de la distance euclidienne minimum entre les n-uplets [ 1 ] ( closest neighbor algorithm ) , ou alors en moyennant sur les k plus proches voisins ( k-nearest neighbor averaging ) ou alors des méthodes probabilistes [ 36 , 37 ] . L' algorithme des k plus proches voisins Cet algorithme est basé sur la recherche des k plus proches voisins et fournit la position de l' équipement en fonction de la similarité de la mesure avec ces k plus proches voisins . Ce nombre k est défini au préalable par l' utilisateur du système de localisation . L' algorithme utilise les k mesures de la base de données possédant le plus de similitudes avec la mesure instantanée . Le critère retenu pour déterminer le degré de similitude entre la mesure instantanée et celles contenues dans la base de données est la distance euclidienne . Si est le vecteur mesure instantanée et le vecteur contenu dans la base de données sous la forme suivante pour la position : , dans ce cas l' information de distance euclidienne entre ces deux vecteurs est donnée par la formule suivante : ( 19 ) Plus cette distance est faible , plus le degré de similarité entre ces deux entités est grande . Dans le cas de l' algorithme des plus proches voisins , il faut retrouver dans un premier temps dans la base de données , les k plus proches voisins du vecteur mesure : ( 20 ) représente cet ensemble de k éléments des positions dont les éléments RSS sont les plus proches dans la base de données de ceux obtenus lors de la mesure . Lorsque ces positions de la base de données sont obtenues , on les moyenne . Il faut garder à l' esprit que ce nombre k ne doit pas être trop important . Cet algorithme conduit à estimer la position du mobile à une position plus proche de la réalité que celle délivrée par l' algorithme retournant comme position estimée celle occupée par le n-uplet le plus proche . La position du mobile s' écrit sous la forme suivante : ( 21 ) La position obtenue est pondérée par l' inverse des erreurs [ 5 ] . Le cas particulier de correspond à l' algorithme du plus proche voisin . Estimation probabiliste de la position Les modèles probabilistes pour la détermination de la position du mobile exploitent des informations plus riches que de simples valeurs comme présenté dans la méthode précédente . Ici , les densités de probabilités des différents processus aléatoires sont utilisées . L' inférence bayésienne est utilisée pour déterminer cette position en fonction de la base de données disponible . Dans la suite , est la variable aléatoire représentant la position du mobile , et celle de l' observation ( ou de la mesure ) . L' application de la loi de Bayes permet d' écrire : ( 22 ) Or on sait d' après le théorème des probabilités totales que : ( 23 ) Il est nécessaire de connaître la densité de probabilité a priori que le mobile se trouve à la position . Dans notre cas , on se place dans un cas discret , car la base de données ne contient qu' un nombre discret d' éléments . L' intégrale se discrétise de la manière suivante : ( 24 ) où est l' ensemble des positions présentes dans la base de données pour lesquelles une information est disponible . L' équation de la probabilité de la présence du mobile sachant la mesure est donnée par : ( 25 ) Une probabilité de présence est associée à chacune des positions de la base de données . La distribution a posteriori définie ci-dessus permet de déterminer la position la plus probable du mobile . Une fonction de coût relative à cette densité de probabilité est utilisée . L' erreur quadratique est utilisée pour définir cette fonction de coût . Elle permet de pénaliser fortement les grandes valeurs et d' une manière moindre les faibles erreurs . L' estimateur minimisant cette fonction est donnée par [ ? ] : ( 26 ) ( 27 ) ( 28 ) où est une fonction minimisant l' erreur moyenne comme présenté ci-dessus . Comme toutes les quantités sont positives , il découle que est minimum si l' erreur moyenne conditionnelle est minimum . On a donc : ( 29 ) où est la densité conditionnelle de la variable aléatoire pour la réalisation . Dans les intégrales précédentes , est constant . Dans ces conditions , l' intégrale est minimum si est donné par : ( 30 ) Comme on se trouve dans un cas discret , avec un nombre fini de point de mesures dans la base de données , l' équation précédente s' écrit [ 37 ] : ( 31 ) La détermination de la probabilité qu' une mesure relevée se trouve à la position de la base de données , nécessite de prendre comme hypothèse que la densité de probabilité est connue . [ 36 ] propose deux méthodes pour modéliser cette densité de probabilité . Une des méthodes consiste à prendre une densité de probabilité " théorique " comme une gaussienne par exemple ( modèle par kernel ) dont les propriétés sont extraites d' une série de mesures ( modèle par histogramme [ 42 ] ) ou d' un modèle de propagation . Par la suite , seul le modèle par kernel est exposé . Dans cette méthode , seule une masse probabiliste est affectée à un kernel auprès de chaque observation de la base de données . La densité de probabilité résultante pour une observation en une position , avec une base de données composée de M éléments et un vecteur observation de N éléments , s' exprime sous la forme suivante : ( 32 ) où est la fonction définissant ce noyau . Le fonction noyau la plus couramment utilisée est celle du noyau Gaussien : ( 33 ) où est un paramètre ajustable . Plus cette valeur est importante , plus l' estimation est lissée . La figure 19 représente l' effet de ce paramètre sur l' estimation . Figure 19 : Influence du paramètre sigma sur l' estimation de la position Ici , on a un problème multidimensionnel où le vecteur observation contient plusieurs composantes . Pour tenir compte que l' observation est un vecteur , il faut multiplier ces distributions . On prend comme hypothèse que les composantes de ce vecteur observations sont indépendantes . Cette hypothèse est recevable si on considère que les observations sont localement indépendantes suivant les positions de mesures [ 36 ] . Le cas du plus proche voisin décrit précédemment est un cas particulier de la méthode probabiliste exploitant le noyau gaussien . Ce cas correspond à tendant vers 0 . La figure 20 présente de façon imagée le déroulement de l' estimation de la position d' un mobile . Figure 20 : Estimation de la position de l' utilisateur par méthode probabiliste La situation ( a ) représente le cas où la position du mobile est inconnue . En ( b ) un capteur a détecté le passage du mobile devant une porte . La densité de probabilité de présence est la gaussienne équiprobable devant chacune des portes . En ( c ) la personne se déplace , et donc les densités de probabilités se déplacent au cours du temps avec le mobile . En ( d ) , un nouveau passage devant une porte est détecté , ce qui conduit à une nouvelle mise à jour des densités de probabilités . On voit alors une gaussienne réellement émerger par rapport aux autres . En ( e ) la personne poursuit son déplacement . En ( e ) , la densité de probabilité de présence de l' utilisateur et obtenue et l' endroit où il se trouve est détecté . 3.3 La navigation par mesures inertielles Ce système de navigation utilise un ou plusieurs capteurs délivrant des informations quant au comportement de l' utilisateur . Ces capteurs sont embarqués sur le mobile lui même . 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 capteurs utilisés sont des accéléromètres mesurant l' accélération , des gyroscopes mesurant des vitesses angulaires , des compas mesurant une direction par rapport au nord magnétique , des sondes barométriques , ... Ce type de navigation est souvent utilisé dans des applications militaires [ ? ] . 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 garantit un élément de sécurité . L' autonomie de ce système de navigation est très importante . Cette navigation à l' estime est utilisée pour le guidage de missiles balistiques par exemple . Des applications civiles utilisent ce type d' éléments pour obtenir une localisation . 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 . 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 de la position estimée . Plusieurs système de navigation cherchent à combiner cette navigation inertielle avec d' autres technologies de navigation comme GPS par exemple . Le service GPS est parfois momentanément indisponible quand un véhicule circule dans un tunnel . L' application de localisation ne dispose alors plus d' informations de localisation par GPS . En exploitant les informations de navigation inertielle ( mesure de la vitesse de chacune des roues du véhicule ) , on peut fournir à l' application de navigation une estimation de la position issue du traitement des mesures relevées par des capteurs de navigation inertielle , tant que le service de navigation GPS reste indisponible . On obtient une bonne précision sur la localisation d' un véhicule sur une vingtaine de kilomètres sans que le GPS soit disponible . Cette technique est couramment utilisé pour guider des véhicules dans des environnements urbains . La disponibilité du GPS permet d' initialiser de nouveau la navigation inertielle et de supprimer les effets de dérive dus au bruit des capteurs . Les équations suivantes illustrent la manière dont les données provenant de capteurs de navigation inertielle sont utilisées : ( 34 ) où représente la vitesse angulaire délivrée par la sonde , l' angle duquel a tourné le mobile depuis la mise en fonctionnement du capteur , est le temps écoulé entre deux mesures successives , est l' accélération et la vitesse du mobile . Si les mesures des capteurs n' étaient pas entachées de bruit , on connaîtrait précisément la position du mobile à tout instant . L' effet de ce bruit est amplifié par les intégrations au cours du temps effectuées sur les données . Certains capteurs utilisés pour des applications militaires notamment , possèdent un faible bruit et permettent de localiser un objet pendant une durée plus importante . Cette section a présenté les différents réseaux terrestres comme ceux du GSM et de l' UMTS dans un but de localisation d' un équipement mobile . Les performances sont généralement de quelques dizaines de mètres au minimum , et peuvent aller jusqu'à plusieurs kilomètres . Certaines techniques de localisation ne peuvent pas être mises en place simplement sur certains réseaux , soit parce que le service de localisation n' était pas prévu lors de l' élaboration du standard , soit parce que la mise en oe uvre de ce service nécessite un investissement important . Certains environnements restent toujours difficiles à couvrir , notamment les espaces confinés ( indoor , urbain ) . La forte dégradation des signaux réduit la précision . Les environnements indoor nécessitent une précision de l' ordre de quelques mètres pour localiser un équipement mobile dans une pièce notamment . Pour les systèmes précédents , la précision dans ces types d' environnements est généralement de l' ordre de plusieurs dizaines de mètres . il est nécessaire de dimensionner des solutions spécifiques à ces environnements indoor . Sur des échelles plus petites , de l' ordre du bâtiment ou d' une étage , il est possible d' identifier des technologies de communication dont l' usage peut être détourné afin de fournir une information de localisation . La section suivante présente ces technologies déployées dans des environnements indoor avec leur caractéristiques en terme de déploiement et leurs performances en localisation . 4 Les moyens de localisation indoor Afin d' obtenir des précisions de l' ordre du mètre ou voire meilleures , plusieurs technologies de proximité ont été explorées . La proximité de tous les éléments du système ( mobile , stations de bases du réseau ) permettent d' atteindre une précision métrique . L' émergence des nouveaux réseaux sans fil est une des solutions à envisager pour se localiser à l' intérieur des bâtiments . D' autres technologies comme celles par tags actifs / passifs ou de vision sont autant de moyens pour se localiser . 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 ( angle de vue ) ) . Le prix des éléments d' un système gêne parfois le déploiement d' une technologie , et particulièrement lorsque de très nombreux éléments relativement onéreux doivent être installés . 4.1 La localisation par ultrason Les systèmes à ultrason sont utilisés pour déterminer la position d' un mobile . La plupart des systèmes de localisation par ultrason sont combinés avec une autre technologie afin d' obtenir une estimation de la distance émetteur / récepteur . Dans le système Cricket [ 60 , 52 , 53 ] , les informations provenant d' une interface ultrason sont combinées avec celles provenant d' une interface RF . Cette combinaison permet d' estimer la distance émetteur / récepteur puis la position occupée par le mobile . Des émetteurs sont placés au plafond du bâtiment et émettent des signaux RF contenant des informations de localisation . En même temps que ces signaux RF sont émis , une onde ultrasonore est émise à partir de ce même émetteur . Le récepteur reçoit successivement l' onde RF et l' onde ultrasonore . 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 émetteur , on détermine précisément la position du mobile ( ici le récepteur ) dans l' environnement . Ceci est basé sur le fait que l' onde sonore , et l' onde radio possèdent des vitesses de propagation différentes . ( 35 ) avec d la distance séparant l' émetteur du récepteur , et les vitesses des ondes RF et ultrasonore dans le milieu de propagation et et les temps mis par les ondes RF et ultrasonores pour atteindre le récepteur . Le récepteur mesure la différence de temps existante entre les instants d' arrivée de ces deux ondes au niveaux du récepteur . On a : ( 36 ) ( 37 ) ( 38 ) ( 39 ) On obtient au final ( 40 ) Cette technique mesure la distance séparant un émetteur d' un récepteur . Un certain nombre de traitements est nécessaire car les objets se trouvent dans des environnements générant beaucoup de multi-trajets et la situation de visibilité directe ( LOS - Line Of Sight ) n' est pas toujours garantie . Dans une situation de non visibilité directe ( NLOS - Non Line Of Sight ) , le trajet le plus fort au niveau des réponses impulsionnelles n' est pas le trajet le plus court . Il est nécessaire de mettre en place des algorithmes pour estimer cet instant d' arrivée du premier trajet afin de minimiser les erreurs sur l' estimation de la distance émetteur / récepteur . Un mécanisme d' accession au medium est en place dans le système Cricket pour minimiser les risques d' interférence . Ces interférences rendent la détection de cet instant d' arrivée pour chacun des émetteurs encore plus difficile [ 52 ] . Le système de localisation Active Bat repose sur les mêmes principes que ceux présentés ci-dessus . La principale différence entre ces deux systèmes est que l' un est basé sur une architecture centralisée ( Active Bat ) , tandis que pour le système Cricket , les traitements sont effectués par l' équipement mobile . Dans le système Active Bat , dès qu' un émetteur est détecté , le contrôleur général ( Master qui se trouve sur le réseau ) envoie un signal RF à l' équipement mobile ( Bat ) . Le Bat transmet alors une série d' impulsions ultrasonores . Toutes les , un message radio contenant uniquement les 16 bits d' adressage d' un des tag est émis par un contrôleur relié à un PC . Le PC décide de l' adresse qui doit émettre . Les équipements mobile reçoivent ce message et le décodent . Le mobile qui reconnaît son adresse dans le message reçu passe dans un mode d' émission et émet un message par ultrason durant . Une fois la série de pulses émise , le tag se remet en mode économie d' énergie , et scrute le canal plus tard . Le PC servant de centre nerveux au système de récepteurs situés au plafond émet vers chacun des récepteurs via la liaison série un signal de reset lorsqu' il émet en même temps que le signal RF à destination des tag à localiser . Durant à partir de ce moment , le dispositif électronique associé à chacun des récepteurs cherche à détecter un signal ultrason . De multiples détections se produisent à cause des multi-trajets [ 65 ] . Ensuite , le PC central interroge chacun des récepteurs composant le réseau en récupérant les intervalles de temps entre le signal de reset et celui de la détection du pic de signal ultrason . La position du tag est obtenue par trilatération . Figure 21 : Principe de fonctionnement du système Active Bat 4.2 La localisation par infrarouge Le système Active Badge est l' un des premiers systèmes de localisation . AT & T l' a élaboré entre 1989 et 1992 [ 46 ] . Ce système exploite la technologie infrarouge . Le mobile à localiser est équipé d' un tag infrarouge 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 permettant de détecter le tag actif . Comme dans le système Active Bat / Cricket , le système infrarouge émet une série de pulses . Cette technologie a été retenue à cette période car elle est peu coûteuse . De plus , la portée des capteurs utilisés est de . Pour des utilisations dans de petites pièces , de nombreuses réflexions sont présentes et facilitent la détection . Le désavantage par rapport aux technologies radio , c' est que les signaux ne traversent pas les murs , ce qui réduit la portée du système . Les émissions infra rouge se font toutes les ( durant ) afin d' économiser l' énergie , mais aussi pour permettre à plusieurs tags d' être localisés et éviter ainsi les problèmes d' interférence . Une période de répétition de est rédhibitoire , car en une personne peut effectuer un déplacement important . Pour des environnements indoor , ceci n' est pas totalement justifié , et lors de l' exploitation du système , une bonne précision a été obtenue [ 46 ] . 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 . Ainsi cette technique de localisation est orientée vers une détection de présence du mobile dans l' environnement ( ou une de ses parties ) . On parle de localisation par zone . On retrouvera ce même type d' information binaire lors de l' exploitation des données remontant de capteurs RFID ( Radio Frequency Identifier ) . 4.3 La localisation par vidéo La vidéo et les dispositifs recevant des images d' une scène permettent 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 entre l' image de la scène et les angles de vues de la caméra [ 96 , 100 ] . Une utilisation possible de cette technique est de détecter les intrusions dans une zone . Grâce aux techniques de reconnaissance de contours , un objet est repérable sur une image . Il est possible de suivre le déplacement de ce contour tant qu' il reste dans le champ de vision de la caméra . [ 97 ] présente une technique de poursuite de cible grâce à la vidéo . Ce système est aussi utilisé en robotique . Les nouveaux robots arrivant sur le marché commencent à gagner en autonomie grâce aux systèmes de vision . Ces robots peuvent se repérer dans l' espace et donc se déplacer . Cette technique possède comme faiblesse la portée limitée du système . Dans les environnements indoor , la portée se trouve restreinte à une seule pièce ( emplacement de la caméra ) . Des problèmes d' identification se posent . Ce problème n' est pas négligeable car les applications requièrent , en plus de la position d' un mobile , un identifiant permettant de distinguer un mobile par rapport aux autres . Or avec cette technologie , différentier deux objets mobiles n' est pas simple . Lorsque deux objets se croisent et sont assez proches , l' un des objets masque l' autre pendant un bref instant . Ce masquage est suffisant pour que le système de détection par vidéo conclut qu' il n' y a qu' un seul objet dans la scène . Si un instant suivant , ces deux objets se séparent , ces deux cibles sont vues comme de nouvelles cibles pour le dispositif par vidéo . Le problème du système est de déterminer quel était le nom affecté à chacune des cibles précédentes et de redonner à chacune le bon nom suite à cet événement de fusion / séparation . 4.4 La localisation par mesure de champ magnétique ( boucles dans le sol ) L' exploitation d' un réseau de capteurs émettant un champ magnétique [ 90 ] par l' intermédiaire de rails présents dans le sol a été exploré . À l' origine , ces systèmes étaient prévus pour le guidage d' objets dans des entrepôts , où des robots effectuaient de nombreux parcours pour aller rechercher des pièces . Les autres domaines d' application sont la réalité virtuelle augmentée ( augmented reality ) et la capture de mouvements ( enregistrement des mouvements effectués par une personne afin de les réintroduire dans une séance cinématographique ) . Le système a besoin que des émetteurs se trouvent à des emplacement connus à travers le bâtiment . Chacun de ces éléments émet un champ magnétique en permanence . Une séquence PN ( Pseudo Noise ) rythme les émissions en changeant la polarité du signal émis . Cette séquence PN distingue les éléments entre eux . Le mobile qui se déplace dans le bâtiment capte successivement différents signaux , et donc champs magnétiques . À l' aide d' un système basé sur la corrélation , le récepteur détermine la puissance du signal en provenance de chacun des émetteurs . Cette information de puissance du signal est utilisée pour déterminer la position occupée par le mobile . Le système exploite une estimation de la réponse impulsionnelle du canal . Un des avantages du code d' étalement est que plusieurs émetteurs peuvent être actifs en même temps . Les deux systèmes employant cette technologie sont produits par Polhemus [ 89 ] et Ascension Technologie Corporation [ 72 ] . Le système proposé par Polhemus est basé sur l' émission d' un champ magnétique généré par un courant AC à basse fréquence . Chaque émetteur possède sa propre fréquence d' émission . On parle de système FDMA ( Frequency Division Multiple Access ) . Le second système est lui basé sur le TDMATDMATime Division Multiple Access ( Time Division Multiple Access ) . Durant le slot temporel qui lui est affecté , un émetteur émet son champ magnétique , alors que tous les autres émetteurs restent muets . Différentes études ont montré que les performances du système TDMA étaient meilleures que celles du système FDMA [ 91 ] . Le système TDMA semble moins sensible aux distorsions dues aux métaux non-ferreux , car des courants de surface sont créés sur le conducteur par la variation temporelle du champ . Ces courants génèrent un nouveau champ magnétique qui vient affecter celui généré par l' émetteur . 4.5 La localisation par mesure de phase des composantes du champ électromagnétique L' exploitation de la phase des signaux permet d' obtenir des informations sur la distance séparant un point de l' espace du point d' émission . Une présentation de cette technique est proposée à la section . L' idée est d' exploiter la phase de l' onde pour se localiser . Les ondes de la bande radio AM sont utilisées . Dans cette bande , les ondes possèdent de bonnes propriétés de propagation , et se transmettent bien à l' intérieur des bâtiments , ce qui est le talon d' Achille du GPS . Lorsqu' on observe un signal , la phase de l' onde s' exprime sous la forme suivante : ( 41 ) avec f la fréquence porteuse du signal , la distance séparant l' émetteur du récepteur et c la célérité de l' onde dans le milieu de propagation . On notera qu' il existe bien une relation entre ce terme de phase et la distance émetteur / récepteur . Une incertitude reste sur la détermination de la phase . Une phase est définie avec un modulo . La phase réelle d' un signal s' exprime de la manière suivante : ( 42 ) Il faut lever l' incertitude concernant le nombre k et donc sur la distance estimée entre le récepteur et le récepteur . Pour lever cette ambiguïté de phase , l' idée est de travailler en relatif par rapport à une référence dont on connaît la phase . Pour que la technique reste valable , il est nécessaire que la distance séparant le récepteur de cette référence soit inférieure à la longueur d' onde du signal . L' utilisation des signaux AM se prête bien à ces conditions car leur longueur d' onde est souvent élevée pour un signal dont la porteuse est à 2 MHz . Or les bâtiments font rarement de telles tailles en longueur ou largeur , ce qui rend intéressant l' utilisation de ce système en localisation indoor [ 57 , 51 ] . Il suffit de déployer un réseau de stations de référence autour du bâtiment et ensuite on se localise à l' intérieur grâce aux ondes longues . Le problème se met donc sous la forme suivante : ( 43 ) La connaissance de la distance séparant le récepteur d' une antenne de référence est alors possible . La mise en place de ce système n' est pas toujours simple , car il faut mesurer précisément la phase d' un signal . Cette opération peut être relativement délicate à mettre en oeuvre au niveau d' un récepteur matériel . Une autre manière pour déterminer la distance émetteur / récepteur au moyen de la phase d' une onde électromagnétique consiste à mesurer le déphasage entre les composantes électriques et magnétiques de l' onde . Ce déphasage est lié à la distance émetteur / récepteur à condition que le récepteur se trouve dans la zone de champ proche de l' émetteur [ 62 ] . Cette technique de localisation est exploitée par la société QTrack [ 56 ] . En reprenant les équations de Maxwell et en les dérivant , SK Schelkunoff montre que les phases des champs E et H pour le dipole de Hertz sont données par [ 47 , 59 ] : ( 44 ) ( 45 ) où est la pulsation de l' onde en rad / s et r est la distance séparant l' émetteur du récepteur . Ces résultats sont valides lorsque l' antenne du récepteur est dans la zone de champ proche de l' antenne d' émission [ 47 ] . Le banc de mesure décrit par la figure 22 permet de mesurer ce déphasage en champ proche . Figure 22 : Banc de mesure du déphasage entre les champs E et H Une limitation à cette technique en indoor est la dégradation du champ magnétique par les objets métalliques . 4.6 La localisation par onde radio ( WiFi , Bluetooth , RFID , ULB ) À l' inverse du GPS , les réseaux de communication à courte portée permettent de se localiser à l' intérieur des bâtiments . Ces réseaux sont déployés dans les bâtiments . Des précisions de l' ordre du mètre sont atteignables grâce aux réseaux locaux . On distingue plusieurs catégories d' interfaces de localisation . On trouve des réseaux d' étiquettes actives ou passives , dites RFIDRFIDRadio Frequency Identification qui permettent de détecter si un objet se trouve dans un certain périmètre autour du lecteur d' étiquettes . Le projet SpotOn est basé sur ces étiquettes RFID . Il a été réalisé à l' Université de Washington [ 83 , 73 ] . Ce type de localisation donne bien souvent une bonne précision , car elle est de l' ordre de quelques centimètres , voire dizaines de centimètres . Cependant la portée de ces étiquettes et de ces lecteurs d' étiquettes n' est pas très importante ( de l' ordre de quelques mètres ) . Le procédé repose sur une détection de la présence ou non de l' élément étiquette dans le giron de la borne . Une connaissance de la position occupée par la borne permet de remonter à la position de l' étiquette . Cette information binaire ( présence / non présence ) , n' est pas toujours facilement exploitable notamment lorsque les zones de couvertures des différents lecteurs sont disjointes . Pour obtenir une couverture quasi continue du service de localisation , il faut équiper l' environnement d' une grande quantité de capteurs . Malgré le faible coût de ces capteurs ( RFID passif ou RFID actif ) cela devient rapidement contraignant et coûteux et se transforme en un frein au déploiement de cette technologie . Dans certains environnements comme dans des entrepôts , de nombreuses pièces entreposées peuvent disposer de leur propre étiquette , et une localisation permanente de ces pièces n' est pas nécessaire . Une simple détection de la sortie de l' équipement est nécessaire . Cette technologie est adaptée à ce type d' application où il faut connaître l' état de transition d' une zone à une autre par l' information binaire de présence ou non . La faible portée du système et la contrainte de passer l' étiquette sur un lecteur font qu' un autre système radio à plus grande portée doit être utilisé afin de rendre une certaine liberté à l' utilisateur et que le service de localisation soit disponible sur l' ensemble du bâtiment avec un minimum d' infrastructure . Les réseaux locaux sans fil de type 802.11 sont une bonne alternative . Le réseau est composé d' un ensemble de points d' accès ( Access Point ou AP ) servant de relais de communication entre les objets mobiles et le réseau . Aujourd'hui ces réseaux 802.11a / b / g sont présents dans de plus en plus de lieux publics , ainsi que chez les particuliers . Le premier but de ces réseaux est d' effectuer des communications d' informations . L' idée est de détourner l' usage de ces réseaux à des fins de localisation . Un certain nombre de signaux de contrôles sont émis pour gérer le roaming lors du déplacement de l' équipement mobile . Ces signaux lui permettent de rester connecté avec le point d' accès avec lequel le rapport signal à bruit ( RSBRSBRapport Signal à Bruit ) est le meilleur . RADAR de Microsoft [ 1 ] est basé sur ce principe . Une technique de localisation associée à ces réseaux est le fingerprinting par puissance de signal reçu . Les algorithmes de recherche du plus proche voisin ( pattern matching ) [ 15 ] et de recherche probabiliste sont présentés dans la section . La portée des points d' accès peut aller jusqu'à pour des environnements outdoor , mais en indoor , cette portée est généralement comprise entre à mètres , ce qui est suffisant pour couvrir bon nombre de bâtiments . D' un autre côté leur prix étant aujourd'hui relativement bas , ce type de technologie devient accessible et la couverture radio intégrale d' un grand bâtiment et d' une ville est peu coûteuse . La technologie bluetooth est aussi disponible dans certains environnement indoor . Cette technologie est similaire à la précédente du fait qu' elle se base sur un réseau composé de bornes servant de points d' accès entre un réseau sans fil et un réseau filaire . À l' intérieur des bâtiments , la portée de ces bornes est plus restreinte que celle des points d' accès 802.11 , car elle n' est généralement que d' une dizaine de mètres . AeroScout [ 43 ] ( Cisco ) a exploré cette technologie avant de passer à un système actuel employant des RFID et la technique de localisation TDOA avec un réseau WiFi ( ) . L' exploitation de ce système n' est pas simple , car cela nécessite l' achat de points d' accès propriétaires . Les informations temporelles utiles pour le TDOA sont indisponibles dans les produits commerciaux actuels . Les performances annoncées pour ce système sont de l' ordre du mètre , tout comme pour le système de localisation par mesure de puissance . Hitachi étudie aussi un système de localisation similaire [ 23 ] . Un moyen d' obtenir ces informations temporelles est d' effectuer des mesures de temps entre l' instant de départ du dernier bit du paquet RTSRTSRequest To Send et l' instant d' arrivée du premier bit du packet CTSCTSClear To Send . En tenant compte des latences de chacun des équipements , on remonte au temps mis par un paquet RTS ou CTS pour effectuer la liaison émetteur / récepteur . Cette méthode est appelée la méthode d' aller / retour ou Round Time Trip ( RTT ) . Des travaux sont menés sur ce sujet , notamment à l' Université de Catalogne en Espagne ( UPC ) [ ? ] et à l' université de Berlin [ 19 , 20 ] . L' UWB est une technologie émergente dont les performances en terme de localisation semblent prometteuses . Les techniques de localisation associées sont généralement basées sur les techniques temporelles qui ont été présentées au cours de ce chapitre , à savoir TOA ( time Of Arrival ) [ ? ] et TDOA ( Difference Of Arrival ) [ ? ] . L' émission d' impulsions très brèves doit être favorable à la recherche de ce premier trajet correspondant au trajet direct entre un émetteur et un récepteur . S' il est possible de déterminer précisément l' instant d' arrivée de ce premier trajet , l' application d' un algorithme de trilatération semblable à celui utilisé pour le GPS permettra d' estimer la position du mobile . Des précisions de l' ordre de quelques centimètres sont attendues de cette nouvelle technologie [ ? ] du fait du grand pouvoir de séparation des trajets les uns par rapport aux autres . Les technologies présentées dans cette dernière section permettent d' atteindre des précisions pouvant aller de quelques centimètres à quelque mètres , ce qui les rend très attractives dans ce type d' environnement . Bien souvent , les technologies présentées pour l' outdoor , à savoir celles basées sur le GPS ou alors sur l' exploitation des réseaux terrestres , ne permettent pas d' avoir des précisions de cet ordre à l' intérieur des bâtiments . Pour certaines , il arrive qu' elles soient indisponibles car le niveau de signal en réception est trop faible suite aux atténuations successives . D' un autre côté , le service est parfois disponible , mais alors l' incertitude sur la position est autour d' une ou plusieurs dizaines de mètres , ce qui n' est pas pertinent pour une localisation dans des bâtiments . L' inconvénient de ces techniques de localisation indoor , est souvent leur faible couverture . Certaines des technologies ne possèdent qu' une couverture de l' ordre de quelques mètres autour de la borne émettrice , alors que d' autres peuvent couvrir jusqu'à un bâtiment . Les futurs terminaux mobiles devront posséder plusieurs moyens de se localiser s' ils veulent d' une part se localiser dans tous les types d' environnements , et d' autre part obtenir la précision la plus grande possible suivant les environnements dans lesquels ils évoluent . 5 Objectifs de la thèse Toutes les techniques de localisation ne sont pas adaptées à tous les milieux ( par exemple la technique Angle Of Arrival est inadaptée aux environnements dans lesquels de nombreux multi-trajets sont présents ) et une étude prenant en compte tous ces éléments est nécessaire afin de dimensionner correctement le système de localisation à mettre en place . Le problème de couverture des réseaux est aussi un frein quant à la bonne localisation des personnes et équipements en toutes circonstances . Une combinaison de plusieurs solutions technologiques permettra de garantir une couverture du service de localisation plus importante que celle obtenue par chacune des technologies individuellement , avec une meilleure qualité sur l' estimation de la position du mobile . Les capteurs de localisation se relayent lorsqu' une des technologies ne fonctionne plus correctement , ou alors une combinaison efficace des différentes informations de localisation [ ? , ? ] conduit à une localisation disponible à tout moment , et en tout lieu . L' idée est de diminuer les imperfections d' un capteur en substituant la localisation retournée par ce capteur par celle provenant d' un autre capteur dont les performances sont meilleures à ce moment précis . L' idée de fusion de données provenant de divers capteurs de localisation n' est pas nouvelle . En effet , de nombreux constructeurs automobiles intègrent à leurs véhicules , des services de localisation [ 49 , 67 , 63 , 45 , 64 ] . Les systèmes sont basés sur l' exploitation du système GPS et de la navigation à l' estime à l' aide de gyroscopes qui mesurent les angles autour desquels tournent les roues de la voiture et de compte-tours pour estimer la distance parcourue par la voiture . Une centrale de navigation retraite toutes les données . Lorsque le système de navigation par GPS est défaillant , l' estimation de la position du véhicule se poursuit à l' aide de la navigation inertielle embarquée dans le véhicule . Néanmoins , cette localisation se dégrade au cours du temps . Lors du retour de la navigation par GPS , la localisation à l' estime est abandonnée au profit de la localisation par GPS , mais lors d' une nouvelle perte du service de localisation par GPS , le relais est de nouveau pris par la navigation inertielle . Dans ce cas , la dérive accumulée précédemment est supprimée , car les capteurs sont ré-initialisés . D' autres systèmes de navigation sont basés sur ce principe . Les aéronefs utilisent depuis longtemps des capteurs de navigation à l' estime , pour des raisons historiques car cette technologie est disponible depuis longtemps , mais aussi à cause des fortes dégradations des signaux GPS qui conduisent à une mauvaise estimation de la position de l' avion par rapport au sol ( et donc aux aéroports ) [ 58 ] . De telles associations technologiques sont réalisables entre un système de localisation par WiFi ( couverture en indoor ) , et le système GPS , pour de la localisation outdoor . L' émergence des hot-spots WiFi permet aux systèmes WiFi de prendre le relais du GPS si ce dernier est indisponible , ou alors d' améliorer la localisation si le récepteur se trouve dans un environnement où les signaux sont très dégradés ( localisation par GPS de mauvaise qualité ) . Le complément de la localisation par WiFi doit améliorer les performances du système global . L' émergence de la téléphonie sur IP , et le durcissement des régulations comme le 911 incitera de nombreux opérateurs à oe uvrer en ce sens . Le 4 Avril 2005 , le Conseil de la radiodiffusion et des télécommunications canadiennes ( CRTCCRTCCanadian Radio-television and Telecommunications Commission ) a décidé d' étendre les mesures prises dans le cadre du 911 , à la téléphonie sur IP [ 66 , 93 ] . Suite à cette décision , les opérateurs de télécommunications VoIP devront localiser les équipements téléphoniques passant des appels par ce biais . D' autres projets comme Place Lab [ 50 , 61 , 8 ] tentent d' améliorer les performances des différentes techniques de localisation existantes en les combinant le plus efficacement possible . Placelab est mis en place par Intel Research Seattle et Cambridge ainsi que les Universités de Washington et de San Diego . Ce système fournit à un équipement mobile équipé des interfaces GPS et WiFi , de se localiser en outdoor avec le système GPS si ce dernier est disponible , et le cas échéant grâce aux réseaux WiFi couvrant la zone . Il est nécessaire que le système de localisation WiFi dispose de la couverture radio WiFi de l' environnement afin de se localise grâce aux techniques de localisation abordées à la section 4.6 . La base de données de fingerprinting WiFi est maintenue à jour à l' aide des différentes collectivités ( villes , associations ) qui ont installé les points d' accès . Des équipements possédant une interface GPS et une interface WiFi peuvent réactualiser cette base , même si les positions délivrées par le GPS sont dégradées . Cette dernière opération est particulièrement intéressante pour proposer une localisation aux terminaux ne possédant qu' une simple interface WiFi . D' autres interfaces comme celles du GSM ou Bluetooth peuvent aussi être utilisées par le système . Actuellement , le système PlaceLab recense plus de 40000 balises GSM , Bluetooth et 802.11 à travers les États-Unis . Cette application montre l' intérêt de prendre en compte plusieurs technologies de localisation indépendantes . Ici on observe une large augmentation de la zone de couverture de localisation par ce système , plus qu' une nette augmentation de la précision de la localisation . Si les bases de données sont correctement tenues , il s' en suit une " bonne " localisation du terminal mobile . À l' avenir , d' autres applications trouveront une combinaison de ces divers moyens de localisation pour former un compromis entre couverture du système , disponibilité du service et précision de la localisation . La suppression des faiblesses des différents systèmes passe par la mise en place d' architectures agrégeant le plus efficacement possible les informations de localisation à disposition . Ce chapitre présente les différentes techniques de localisation existantes , avec d' une part les bénéfices à utiliser chacune d' entre elles , mais aussi les inconvénients qui leurs sont liés et les performances que l' on peut en attendre . Aujourd'hui , le GPS s' est imposés sur les marchés de localisation dans les environnements outdoor . Des précisions à quelques mètres près sont atteintes dans ces environnements et il semble assez difficile de mettre en place un système aussi performant qui puisse allier en même temps une couverture aussi large avec une telle précision . Les systèmes satellitaires s' imposent comme étant le système de localisation pour l' outdoor . Cependant , des contraintes plus fortes en terme de précision de localisation existent dans le domaine de la mesure des déformations de certaines architectures comme des barrages par exemple , dans ce cas , la mise en place de systèmes de localisation particuliers sont nécessaires . Pour cette application , des systèmes à base de GPS ( DGPS ) ont été réalisés . Étant donné les performances du systèmes GPS , les autres techniques comme celles basées sur le réseau GSM ou UMTS semblent moins intéressantes du fait des précisions et de la faible disponibilité par rapport au GPS pour les environnements outdoor . Les environnements dans lesquels le système GPS ne s' impose pas naturellement sont les environnements de type indoor ( à l' intérieur des bâtiment ) . Comme il a été vu dans ce chapitre , même si des techniques d' améliorations de ce système GPS existent et améliorent la qualité des signaux en réception , les performances ne sont pas suffisamment bonnes par rapport aux exigences des applications qui requièrent souvent une précision à la pièce près . Certains systèmes existent et proposent une couverture indoor en terme de service de localisation , mais bien souvent la mise en oeuvre d' un tel système est complexe . L' installation d' un système de ce type s' avère relativement coûteuse du fait qu' il est nécessaire d' installer de nombreux capteurs . Parfois la couverture de ces capteurs est si restreinte qu' il n' est pas possible d' obtenir une couverture complète sans zone de non disponibilité du service . L' installation récente des WLAN dans les bâtiments est une bonne opportunité pour effectuer de la localisation en indoor , car des informations utilisables en localisation sont disponibles dans les produits commerciaux . D' un autre côté , l' intégration d' informations complémentaires ( bien souvent disponibles ) améliore les performances . Ce travail porte sur la localisation indoor , et plus particulièrement sur l' exploitation des informations complémentaires disponibles en les introduisant dans un système de localisation améliorant les performances en terme de précision . Des informations comme le plan d' un bâtiment sont introduites dans ce système . Cette fusion d' informations nécessite l' exploitation d' outils comme un filtre de Kalman ou un filtre particulaire qui d' une part jouent sur le lissage de la trajectoire estimée , mais aussi contiennent la trajectoire lissée entre les murs du bâtiment . L' exploitation de cette information de plan du bâtiment est particulièrement intéressante , car bien souvent elle est disponible auprès des services logistiques . Le plan du bâtiment garantit aux applications requérant de la localisation , que les informations retournées par le système de localisation sont cohérentes avec la topologie du bâtiment . Une étude sur l' adéquation des différentes architectures de localisation est à prendre en compte , car des systèmes , comme le filtre particulaire , sont coûteux en calculs . Il est nécessaire dans ces conditions de chercher à réduire les ressources en calcul nécessaires pour le traitement des informations provenant des capteurs . Des approches adaptées aux plate-formes embarquées sont proposées pour garantir une localisation au niveau du terminal mobile . La seconde contribution de ces travaux de thèse porte sur l' étude d' une nouvelle technologie de localisation basée sur des mesures temporelles obtenues à partir de réponses impulsionnelles du canal . La première contribution basée sur la localisation par WiFi ne permet pas d' accéder à d' autre information que la puissance du signal reçu . Dans le cadre du groupe de normalisation IEEE802 . 15.4a , une partie du standard s' intéresse plus particulièrement à la localisation des équipements . Plusieurs technologies sont à l' étude pour les aspects de communication , et de nombreux papiers existent sur les capacités des signaux Ultra Large Bande en localisation , mais peu d' expérimentations ont été menées sur ce sujet . Des résultats sur la mesure de distance séparant un émetteur d' un récepteur sont disponibles , mais le passage à la détermination précise de la position de l' équipement dans son environnement est tout autre , car de nombreuses dégradations apparaissent suite au passage de l' onde à travers les différents éléments de la chaîne de communication . Ce travail présente les résultats de localisation obtenus à partir de mesures réelles puis la mise en place d' un démonstrateur de localisation basé sur cette technologie . Enfin , les aspects de fusion des informations de localisation sont abordés . Peu d' éléments existent sur la fusion d' informations pour la navigation piétonne . Ce travail de thèse propose une approche à la fusion des technologies de navigation piétonne , avec une comparaison des performances par rapport à chacune des technologies prises individuellement . Cette approche permettra d' identifier de nouvelles pistes quant à l' évolution que devra prendre la navigation piétonne , car ces capteurs seront bientôt disponibles pour les personnes à travers leur téléphone mobile ou leur assistant personnel . 2 La localisation indoor par ondes radio WiFi Il est bien plus aisé et plus plaisant de suivre que de guider , et [ ... ] c' est un grand repos d' esprit de n' avoir à tenir qu' une voie tracée et à répondre que de soi . Michel DE MONTAIGNE 1 Le standard WiFi La norme IEEE 802.11 ( ISO / IEC 8802 - 11 ) est un standard international [ 44 ] décrivant les caractéristiques des réseaux locaux sans fil ( WLAN ) . Le nom WiFi ( contraction de Wireless Fidelity , parfois noté à tort WiFi ) correspond initialement au nom donné à la certification délivrée par la Wi-FiWi-FiWireless-Fidelity Alliance , anciennement WECAWECAWireless Ethernet Compatibility Alliance ( Wireless Ethernet Compatibility Alliance ) , l' organisme chargé de maintenir l' interopérabilité entre les matériels répondant à la norme 802.11 . Par abus de langage ( et pour des raisons de marketing ) , le nom de la norme se confond aujourd'hui avec le nom de la certification . Ainsi un réseau WiFi est en réalité un réseau répondant à la norme 802.11 . Grâce au WiFi , 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 . La norme 802.11 s' attache à définir les couches basses du modèle OSIOSIOpen Systems Interconnection pour une liaison sans fil utilisant des ondes électromagnétiques , c' est-à-dire : & 226;& 128;& 162; la couche physique ( notée parfois couche PHYPHYCouche Physique ) , proposant trois types de codage de l' information . & 226;& 128;& 162; la couche liaison de données , constituée de deux sous-couches : le contrôle de la liaison logique ( Logical Link Control , ou LLCLLCLogical Link Control ) et le contrôle d' accès au support ( Media Access Control , ou MACMACMedium Access Control ) La couche physique définit la modulation des ondes radio-électriques et les caractéristiques de la signalisation pour la transmission de données , tandis que la couche liaison de données définit l' interface entre le bus de la machine et la couche physique , notamment une méthode d' accès proche de celle utilisée dans le standard ethernet et les règles de communication entre les différentes stations . Aujourd'hui , le standard 802.11 se décline en plusieurs sous standards dont les produits sont commercialisés . Chacun de ces sous-standard précise la norme 802.11 et est caractérisé par une modulation propre ainsi que des débits et une QoS ( Quality of Service ) . Initialement , cette norme offrait des débits de 1 ou 2 Mbps . Grâce aux diverses avancées technologiques , des débits supérieurs sont envisageables . Des révisions sont apportées à la norme originale afin d' optimiser le débit ( c' est le cas des normes 802.11a , 802.11b , 802.11g et 802.11n , appelées normes 802.11 physiques ) ou de préciser des éléments pour assurer une meilleure sécurité ou une meilleure interopérabilité . Le tableau 14 propose une synthèse de certaines des révisions existantes : . 11h ) et être en conformité avec la réglementation européenne en matière de fréquence et d' économie d' énergie . Table 14 : Différentes révisions de la normes IEEE 802.11 Les principaux produits commerciaux sont issus des révisions 802.11a , 802.11b et 802.11g . La norme 802.11a propose un débit théorique de 54 Mbps , soit cinq fois plus que le 802.11b , pour une portée d' environ une trentaine de mètres seulement . La norme 802.11a s' appuie sur un codage du type Orthogonal Frequency Division Multiplexing ( OFDMOFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing ) sur la bande de fréquence 5 GHz et utilise 8 canaux qui ne se recouvrent pas . La norme 802.11b fournit un débit théorique de 11 Mbps , pour une portée d' environ une cinquantaine de mètres en intérieur et jusqu'à 200 mètres en extérieur ( et même au-delà avec des antennes directionnelles ) . La norme 802.11g permet d' obtenir un débit théorique de 54 Mbps pour des portées équivalentes à celles de la norme 802.11b . D' autre part , dans la mesure où la norme 802.11g utilise la bande de fréquence 2 , 4 GHz