Estimation des états de réception pour une position plus précise Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux Estimation des états de réception des satellites GNSS pour une position plus précise Sarab TAY sarab.tay@ifsttar.fr www.ifsttar.fr 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

PLAN Contexte IFSTTAR GNSS et les transports en environnement urbain Solutions proposées Conclusions et Perspectives 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Contexte IFSTTAR Département « Composants et Systèmes » (COSYS) LEOST : Laboratoire Electronique, Ondes et Signaux pour les transports Développer des solutions fondées sur les TIC (communication, localisation, surveillance) avec une approche globale de la « mobilité intelligente ». Accroître la qualité, la sécurité et l’optimisation des systèmes de transports routiers (voiture- autobus) ou guidés (trains, métros, tramways) Localisation et navigation 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Localisation et navigation dans les transports Pour l’usager Pour l’opérateur ou le gestionnaire €€€ Pour le recueil de données

GNSS dans les transports urbains Exigence et garantie de précision Les applications GNSS : Améliorer la précision GNSS en environnements contraints grâce à la connaissance des états de réception et des erreurs Evaluer, Améliorer et Valider les performances (précision, intégrité) Proposer des solutions opérationnelles, faible coût (si possible pas de capteurs sur l'infrastructure) Orientation de recherche suivie 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

GNSS dans les transports urbains En fonction des applications → performances attendues très variables Disponibilité du service Précision de la localisation Intégrité de l’information

Thématique de recherche GNSS dans le transport urbain (Juliette Marais) Recherche souvent guidée par les besoins du ferroviaire Difficultés liées à la fiabilité et la précision Outil PREDISSAT (Breveté en 2006) : Prédiction de la visibilité radioélectrique d’une constellation de satellites dans un environnement de transport Orientation de recherche suivie - Équipe pilotée par Juliette Marais 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Réception en environnement urbain : Rappel GNSS Au moins 4 satellites Distance = c x Tp Pseudo-distance Chacun : temps de propagation depuis son émission R = Pseudo-distance Rho = Distance géométrique 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Environnement de propagation Effets Masquage Multitrajets NLOS (Réflexion seule) Signal Bloqué limitation de l’impact de la dégradation Garantir une précision de localisation sans abaisser la disponibilité du service Conséquences Imprécision Indisponibilité Intégrité 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Problème des multitrajets Masquage + mauvais environnement des satellites → paramètres pénalisant / fiabilité Objectif : limitation de l’impact de la dégradation Garantir une précision de localisation sans abaisser la disponibilité du service

Problématique Les performances dépendent de la qualité des mesures de pseudo-distances. Quel est le bruit sur les pseudo-distances ? Quels sont les modèles typiques d’erreurs ? 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Solutions proposées En environnement contraint, les modèles typiques d’erreurs utilisés (bruit blanc gaussien) ne sont pas réalistes Deux approches étudiées : Statistique (thèses de F. Nahimana & N. Viandier) Le système détermine seul quelle est la méthode de filtrage la plus appropriée Connaissance a priori Analyse en direct Déterministe ( Approche CAPLOC) Connaissant l’environnement, il est possible d’adapter le modèle d’erreur au plus juste 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

1 seul rayon reçu en visibilité direct Approche statistique Cas Nominal : 1 seul rayon reçu en visibilité direct Erreurs ~ bruit du récepteur Méthodes classiques (Kalman) : modèle d’erreur de pseudodistance blanc Gaussien 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Approche statistique Précision Trajet direct Trajet réfléchi (biaisé) Multitrajets :Si les erreurs sont très petites, on conserve le modèle LOS Signal Indirect : La distribution d’erreur n’est plus Gaussienne centrée → Les méthodes de Kalman (EKF) ne sont plus adaptées 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Approche statistique 1er cas : Les états de réception sont connus (a priori) thèse de F. Nahimana, 2009 Utilisation d’une chaine de Markov - La simulation par tracé de rayons sur un trajet modélisé en 3D permet de calculer la/les matrice(s) de transition : Matrice de transition unique pour tout un trajet Matrice de transition variable dans le temps Deux modèles de bruits sont définis : 1 pour les LOS, 1 pour les NLOS (mélange de Gaussiennes) Estimation par filtrage particulaire 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Approche statistique 2ème cas : Les états de réception sont inconnus thèse de N. Viandier, 2011 Estimation conjointe du modèle d’erreur et de la position Processus de Dirichlet Mélange de Processus de Dirichlet L’estimation se fait par l’intermédiaire d’un filtre particulaire Rao-Blackwellisé 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Performances (méthode 2) sur données réelles 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Résultats sur la précision Performances obtenues à partir de mesures Perf. 2D Err. Moy. Dispo. à 3 m Dispo. à 5 m Safedrive 14,85 m 10% 30% JMS (GMM) 10,50m 18,21% 41,96% RBPF (DPM) 7,13 m 36,36% 63,44% (Méth. 1) (Méth. 2)

Approche déterministe : Projet Caploc Combinaison de l’analyse d’Images et la connaissance de la Propagation des signaux pour la LOCalisation. IFSTTAR / UTBM Objectif :  faisabilité de l'apport de l'image et de la connaissance de l'environnement 3D 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Projet Caploc Solution bas coût, sans infrastructure au sol Reposant sur les signaux satellitaires seuls et une connaissance de l’environnement local de la propagation de ces signaux Connaitre en temps réel les états de propagation des signaux pour corriger les imprécisions 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Classification des signaux GNSS par traitement d’images Localisation : Détection déterministe des états de réception Utilisation de cette connaissance pour une meilleure précision 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Caploc / Localisation 1ère piste : Exclure les NLOS ? Perspectives : Prendre en compte les signaux réfléchis Positions calculées par EKF 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Pondérer les signaux       Récepteur 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Pondérer les signaux Classiquement, on pondère avec l’élévation des satellites ou le SNR + avec CAPLOC : connaissance déterministe des états de réception Travail en cours : déterminer les poids de façon à optimiser l’usage de tous les satellites disponibles 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Conclusions et Perspectives Utilisation des signaux GNSS, pour des fins de géolocalisation, dans un milieu urbain et contraint Amélioration de la précision de localisation GNSS en environnement urbain Utilisation des méthodes de filtrage et modélisation des erreurs de pseudodistances Réelle amélioration de la précision, ainsi que de la disponibilité (contrairement aux méthodes d’exclusion) 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

Conclusions et Perspectives Corrélation entre l’environnement (canal) de propagation et les performances du récepteurs Estimation par l’image (info sur la qualité des signaux satellites reçus) 30/05/2013 Sarab TAY - JNCT 2013

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