Les systèmes et technologies de localisation

Les systèmes et technologies de localisation 

Les technologies de localisation ont connu un essor important avec le développement de l’émission radio, plusieurs systèmes de localisation ont été développés pour des besoins militaires, la navigation maritime et aérienne. Actuellement, la maîtrise des technologies de l’espace offre à l’homme un GPS extrêmement efficace et précis. L’intégration de cette technologie avec les infrastructures fonctionnelles dans plusieurs domaines de la vie moderne constitue une source d’information de grand intérêt pour suivre en temps réelles trajectoires. Les techniques de localisation évoluent continuellement depuis des années. Sa précision en extérieur a été grandement améliorée, et il est si courant que le GPS a presque banni l’utilisation des cartes. Actuellement, des millions d’utilisateurs ont des navigateurs qui peuvent les guider dans n’ importe quel endroit lors d’un voyage en voiture ou des applications de téléphone intelligent en temps réel qui peuvent les diriger partout vers n’importe quel endroit.

Toutefois, les utilisateurs utilisent de la localisation à l’intérieur des bâtiments: à la maison, au travail, au centre commercial, les endroits où les signaux GPS ne sont pas disponibles. Des applications qui permettent, par exemple les gens peuvent avoir besoin de naviguer dans un bâtiment public comme un centre commercial ou un hôpital. Il peut être difficile de trouver son chemin dans un tel immeuble, de guider une personne aveugle à l’intérieur d’un bâtiment jusqu’à l’emplacement souhaité et d’aider les visiteurs à trouver leur chemin vers une certaine destination.

Les performances des systèmes de positionnement en intérieur peuvent être analysées en fonction de six propriétés différentes [24]:
• Exactitude: L’exactitude (ou erreur de localisation) est la condition la plus importante des systèmes de positionnement. Elle mesure la taille de l’écart entre la position de point de consigne réelle dans cette zone considérée et l’emplacement du même point de consigne estimé par le système de positionnement intérieur qui donne l’erreur de performance du système de positionnement en intérieur (IPS). Certains compromis entre une précision « appropriée» et d’autres caractéristiques sont nécessaires.
• Complexité: La complexité du système IPS peut être attribuée au matériel, aux logiciels et aux facteurs de fonctionnement. Elle peut être donnée par le temps de calcul requis pour l’algorithme de positionnement. Le taux de localisation est plus élevé si la complexité est plus élevée. Le taux de localisation est un indicateur important de la complexité. Le double du taux de localisation est le décalage de localisation, qui est le délai entre le déplacement d’une cible mobile vers un nouvel emplacement et le signalement du nouvel emplacement de cette cible par le système.
• Précision: La précision est la mesure entre les écarts des points d’estimation. Une fonction de distribution cumulative précise (CDF) peut être utilisée pour calculer les forces et les faiblesses, où plus la concentration des courbes est élevée, plus la précision est élevée. La précision ne tient compte que de la valeur des erreurs de distance moyenne. Cependant, la précision de localisation tient compte de la cohérence du fonctionnement du système, c’est-à-dire qu’il s’agit d’une mesure de la robustesse de la technique de positionnement, car elle révèle la variation de ses performances sur de nombreux essais.
• Robustesse: La bonne robustesse du système est pendant le processus de positionnement, même si l’une des sources de signal agit anormalement ou ne peut  pas être reçue, le système de positionnement intérieur doit encore fonctionner avec un certain niveau de précision. Parfois, le signal d’un émetteur est totalement bloqué, de sorte que le signal ne peut pas être obtenu à partir de certaines unités de mesure. La seule information permettant d’estimer l’emplacement est le signal des autres unités de mesure. Quelquefois, certaines unités de mesure peuvent ne pas fonctionner ou être endommagées dans un environnement difficile. Les techniques de positionnement doivent utiliser ces informations incomplètes pour calculer l’emplacement.
• Évolutivité: L’évolutivité est la plage pnse en charge par le système de positionnement intérieur, qui comprend la zone d’installation expérimentale, la couverture du signal et le positionnement spatial 2-Dimension (2-D) ou 3- Dimension (3-D). Certains systèmes peuvent prendre en charge les espaces 2-D et 3-D. Le caractère évolutif d’un système assure la fonction de positionnement normal lorsque la portée de positionnement devient grande. Habituellement, les performances de positionnement se dégradent lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur augmente.
• Coût: Le coût d’un système de localisation peut dépendre de nombreux facteurs. Les coûts de construction du système comprennent le temps passé, la consommation d’énergie, l’ espace, le poids et l’argent. Le facteur temps est lié à l’installation et à la maintenance et parfois, nous devons tenir compte de certains coûts irrécupérables.

Satellites GPS

Les systèmes satellitaires sont largement utilisés dans le monde. Ils se composent de plusieurs ensembles de satellites qui fournissent des signaux de positionnement géospatial autonomes avec une couverture mondiale. Le système de navigation global qui existe aujourd’hui permet à tout appareil électronique équipé d’un récepteur de signal satellite de calculer sa position 3-D (longitude, latitude et altitude). Les services de localisation OPS peuvent être utilisés dans toutes les conditions météorologiques et partout sur la planète. La seule exigence est qu’il ne doit y avoir aucun obstacle entre l’appareil mobile et le ciel. Le système de satellites OPS est à l’origine composé de 24 satellites placés sur six orbites. De nos jours, le OPS est considéré comme un outil ! utilitaire de positionnement populaire pour localiser les objets mobiles nécessitant des services de base de position et de navigation. Par exemple, les puces OPS intégrées dans les téléphones intelligents deviennent des composants standard pour permettre d’obtenir des informations de localisation. Pour la détermination de la position 2-D, par ex. latitude et longitude (ouest et nord), un récepteur OPS doit suivre les signaux OPS d’au moins trois satellites. Avec quatre satellites ou plus en vue, le récepteur peut déterminer la position 3-D de l’utilisateur. De plus, le système de localisation OPS est basé sur la mesure du temps nécessaire pour localiser les récepteurs et comme les ondes reçues souffrent de réflexions, le système ne sera pas adapté aux zones fermées ou aux espaces où le signal ne pénètre pas correctement  .

Le système GPS a inspiré certains chercheurs pour la localisation en intérieur en utilisant différents matériaux [26]. Récemment, Atmel et U-blox ont annoncé le lancement d’un nouveau type de technologie de suivi des signaux faibles par GPS appelé SuperSense. Avec ce nouveau logiciel GPS, la navigation GPS devient possible dans les intérieurs de bâtiments et les profonds canyons urbains en raison de sa sensibilité de suivi au-delà de -158 dBm. Ses performances ne sont pas rapportées pour l’instant. Locata Corporation a inventé une nouvelle technologie de localisation appelée Locata [27], pour un positionnement de précision aussi bien à l’intérieur qu’à l’extérieur. Une partie de la « technologie Locata » consiste en un émetteur-récepteur synchronisé dans le temps appelé LocataLite. Un réseau de LocataLites forme un LocataNet, qui transmet des signaux de type GPS qui permettent un positionnement en un seul point en utilisant des mesures de phase de porteuse pour un appareil mobile (une Locata). Le groupe de navigation et de localisation par satellite (SNAP) de l’Université de New South Wales a aidé au développement d’une locata et à l’essai de la nouvelle technologie. Les expériences de test démontrent la preuve de concept de la «technologie Locata» et montrent que le positionnement du point de phase de la porteuse (sans liaisons de données par modem radio) est possible avec une précision sous-centimètre [27].

Réseau cellulaire GSM 

Le GPS n’est pas la seule manière de résoudre les problèmes de géolocalisation, il est possible d’utiliser des technologies habituellement utilisées pour le transfert de données comme le système mondial de communications mobiles (GSM). Cette technique permet le positionnement d’un terminal GSM en se basant sur certaines informations relatives aux antennes GSM auxquelles le terminal est connecté. Le GSM est une norme mondiale pour les communications mobiles. Jusqu’à présent, le GSM est une technologie de pointe dans le domaine des téléphones mobiles et offre une bonne couverture dans les zones urbaines et rurales. En Amérique du Nord, le GSM utilise les bandes de fréquences 850 MHz et 1900 MHz et en Europe, Moyen Orient et Afrique le GSM utilise les bandes de fréquences 900 MHz et 1800. Le réseau GSM est divisé en plusieurs cellules. Chaque cellule contient une station de base de transmission (BTS) appelée station d’émetteur-récepteur de base. Les stations de base GSM sont généralement équipées de plusieurs antennes directionnelles, qui définissent la couverture de la cellule. Les cellules sont identifiées par un ID de cellule unique (CID) et selon leur emplacement, elles peuvent couvrir environ 35 kilomètres [28]. Chaque appareil mobile est associé à une cellule. La sélection de cellules est basée sur la force du signal BTS reçu par la station mobile. En général, celui avec le signal le plus fort est sélectionné. Cependant, dans certains cas, par exemple pour éviter la saturation, d’autres unités peuvent être sélectionnées.

De nombreux systèmes ont utilisé des systèmes de réseau cellulaire mobile à accès multiple mobile / par répartition par code (GSM / CDMA) pour estimer la localisation de clients mobiles externes. Cependant, en fonction de la taille de la cellule, la précision de la méthode utilisant l’identifiant de cellule ou la différence de temps d’observation améliorée (E-OTD) est généralement faible (environ 50-200 m). Généralement, dans les zones densément peuplées (comme les zones urbaines), la précision est plus élevée, tandis que dans les environnements ruraux, la précision est plus faible [29].

Otsason et al. [30] ont proposé le premier système de suivi intérieur précis basé sur le GSM intérieur et l’utilisation d’empreintes digitales de grande puissance de signal. Les données utilisées sont collectées à partir des 6 cellules GSM les plus puissantes détectées et en utilisant des lectures de jusqu’à 29 canaux GSM supplémentaires. Ils ont présenté les résultats d’expériences utilisant la technologie des k plus proches voisins (kNN) pondérés sur les empreintes digitales de la force du signal recueillies dans trois bâtiments à plusieurs étages. Les résultats montrent que leur système de suivi intérieur peut distinguer la différence entre les étages et atteindre une précision moyenne aussi base que 2,5 m.

Pour l’extérieur, le travail d’utilisation du GSM pour localiser le téléphone mobile a été effectué. Goetz et al. [31] recommandent d’utiliser la méthode de différence des instants d’arrivées (TDoA) pour localiser les appareils mobiles. Ils rapportent une précision de cinq mètres. Habituellement, le nombre de gratte-ciel et de bâtiments dans la zone affectera la précision du système.