Etat de l’art sur les systèmes de localisation en intérieur

Force est de constater aujourd’hui que la localisation d’un bien ou d’une personne est devenue une nécessité. Elle permet de guider des usagers, trouver rapidement certains services de proximité, assurer la surveillance, etc. Plusieurs solutions existent en extérieur, largement dominées par les systèmes GNSS (GPS, Glonass ou Galileo). Leur précision, qui peut aller de 5-20 m typiquement pour la version grand public du GPS à des valeurs submétriques pour la version militaire, est assujettie à une visibilité directe radio – appelée également hypothèse LOS (Line Of Sight), d’au moins 4 satellites en visibilité radio. Pour la localisation à l’intérieur d’un bâtiment, dits localisation indoor, la précision de ces systèmes se dégrade à cause essentiellement des trajets multiples et de l’atténuation importante des signaux à l’intérieur des bâtiments. Les systèmes de localisation indoor sont généralement classés selon trois catégories : a) Technologies, b) Mesures et c) Méthodologies. Plusieurs états de l’art utilisant cette taxonomie ont été proposés au cours de ces dernières années . Les principaux critères de comparaison utilisés dans ces travaux sont la portée du système, sa précision – quantifiée sous la forme d’une erreur moyenne de positionnement, ainsi que sa robustesse (ou capacité à reproduire les performances selon les changements environnementaux). D’autres critères incluent des notions subjectives comme le coût/temps d’installation et de maintenance, la complexité d’implémentation et la sécurité/confidentialité. Malgré les progrès réalisés ces dernières années en condition de laboratoire, on ne trouve pas encore de solution qui soit à la fois performante, simple d’exploitation/utilisation et bon marché.

Technologies 

Nous exposons dans cette section les principales technologies utilisées en localisation indoor : infrarouge, ultrason, magnétique et radio-fréquence. Parmi ces technologies, les systèmes radio disposent de plusieurs avantages : transmissions numériques avec meilleure immunité aux bruits (selon le type de codage), pas de contrainte de directivité ni de visibilité (avec influence sur la performance), portée plus grande. C’est pourquoi de nombreux systèmes de localisation utilisent des signaux radio. Plusieurs normes de transmission existent. Parmi elles, nous présenterons la RFID (Radio Frequency IDentification), Bluetooth, ZigBee, WiFi et ULB (Ultra Large Bande). Ces technologies requièrent le déploiement de points références, ayant des coordonnées connues, qui sont appelés stations de base (SB), ancres, points d’accès (AP) ou balises selon leur rôle dans le système de localisation. Les capteurs inertiels embarqués dans le terminal mobile est une autre possibilité de technologie pour la localisation indoor. L’emploi de ces capteurs lève la contrainte de dépendance aux points références. La localisation à partir de ces capteurs ne cesse de gagner en popularité grâce à l’emploi des smartphones durant les activités quotidiennes. Nous présentons dans cette section les technologies employées par des systèmes de localisation indoor. Nous expliquons également les principaux challenges d’emploi de chaque technologie pour la localisation indoor.

Infrarouges

Les infrarouges (IR) sont des signaux lumineux invisibles à l’œil humain, car de longueur d’onde supérieure à celle de la lumière visible. La technologie exploitant les IR est aujourd’hui couramment utilisée, notamment en domotique et robotique [8]. Des exemples d’application de la vie quotidienne sont la commande à distance (télécommande) et la détection d’obstacles [9]. Cette technologie a l’avantage d’être simple et peu onéreuse. Son utilisation en localisation peut être divisée en deux approches. Dans la première, dite active, des unités constituées de diodes électroluminescentes (LED) émettent à intervalle régulier des signaux IR. Ces signaux sont décodés par des capteurs de lumière, de type photo-diode ou caméra IR, pour fournir l’information de localisation de sources. Dans la deuxième approche, dite passive, la localisation s’effectue par thermographie grâce à l’émission de radiation naturelle des entités à localiser. Les signaux IR sont connus pour être sensible aux sources de lumières ambiantes [10]. D’autres inconvénients majeurs de la technologie IR sont une contrainte de visibilité directe entre émetteur et récepteur ainsi qu’une portée limitée à 5-10 m typique.

Ultrasons

Les ultrasons (US) sont des vibrations acoustiques qui s’étendent de la frontière avec l’acoustique audible  jusqu’aux fréquences d’agitation thermique des molécules aux environs de 1013 Hz. Les signaux ultrasons sont habituellement générés par des transducteurs qui exploitent l’effet piézoélectrique pour convertir l’énergie électrique en mouvement mécanique et inversement. Les systèmes de localisation basés ultrasons fonctionnent principalement dans la plage de fréquences 20- 50 KHz. Ces signaux ont l’avantage de se propager relativement lentement, ce qui facilite la prise de mesures temporelles pour ce genre d’application [12] et améliore la précision de localisation [13]. Les résultats obtenus sont souvent associés à une précision très élevée, pouvant être inférieure au millimètre [14, 15]. Toutefois, de par la nature de ces signaux, la portée des systèmes qui les utilisent est généralement faible, limitée à 10-15m typique. D’un autre côté, les performances sont affectées par les conditions environnementales, comme la température et l’humidité [16] et les courants d’air [17].

Magnétique

Les systèmes de localisation basés sur le champ magnétique peuvent être classés en deux catégories. Dans les systèmes actifs, un champ artificiel est généré à l’aide de bobines électriques pré-déployées. La puissance du champ est convertie en mesure de proximité ou de distance relative pour estimer la position du détecteur avec la position des sources [18]. Dans les systèmes passifs, la localisation est obtenue en utilisant le champ magnétique terrestre. Cette deuxième approche, qui peut tirer partie des « anomalies » provoquées par des structures métalliques dans les murs ou les sols par exemple, a également l’avantage de ne pas requérir d’infrastructure complémentaire. L’étude récente [19] montre que le champ naturel est stable dans le temps, et que les « empreintes » obtenues en indoor sont suffisamment discriminantes pour rendre viable les systèmes de localisation passif.

Champ magnétique terrestre
Le champ magnétique terrestre est un champ magnétique généré, en permanence, par le noyau de la terre. En magnétisme, la terre est modélisée par un dipôle, qui génère un champ d’induction, dont les lignes de champ, comme celles d’un dipôle, se dirigent du pôle positif (sud magnétique) au pôle négatif (nord magnétique). Le champ magnétique terrestre n’est pas homogène en tout point du globe et varie en intensité et en direction selon le couple latitude et longitude. À chaque point, on peut mesurer un vecteur de champ magnétique terrestre.

ZigBee

ZigBee opère dans les bandes de fréquences définies par le standard IEEE 802.15.4, à savoir les bandes ISM 2.4 GHz ou 868/965 MHz. Cette technologie a l’avantage d’être simple, car de pile protocolaire légère. La portée nominale est de 30 m, et peut s’étendre jusqu’à 100 m selon la puissance du dispositif. Avec une autonomie sur piles classiques estimée à plusieurs années, ZigBee est approprié aux applications de réseaux de capteurs, contrôles ou remontées d’alarmes. Un des inconvénients de ZigBee est son faible débit : 250 Kbits/s max. contre 1-3 Mbps pour BT. Une limite pour la localisation est donnée par les problèmes d’interférences avec d’autres technologies sans fils, comme WiFi par exemple [21].