Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux

1. Institut françaisdes sciences et technologiesdes transports, de l’aménagementet des réseaux Estimation des états de réception des satellites GNSS pour une position plus précise Sarab TAY sarab.tay@ifsttar.fr www.ifsttar.fr Sarab TAY - JNCT 2013

2. PLAN • Contexte IFSTTAR • GNSS et les transports en environnement urbain • Solutions proposées • Conclusions et Perspectives Sarab TAY - JNCT 2013

3. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

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

5. 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) Sarab TAY - JNCT 2013

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

7. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

8. Réception en environnement urbain : Rappel GNSS • Au moins 4 satellites • Distance = c x Tp • Pseudo-distance R = Pseudo-distance Rho = Distance géométrique Sarab TAY - JNCT 2013

9. Environnement de propagation • Effets • Masquage • Multitrajets • NLOS (Réflexion seule) • Signal Bloqué • Conséquences • Imprécision • Indisponibilité • Intégrité Sarab TAY - JNCT 2013

10. 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

11. 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 ? Sarab TAY - JNCT 2013

12. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

13. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

14. Approche statistique Précision • 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 Trajet direct Trajet réfléchi (biaisé) Sarab TAY - JNCT 2013

15. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

16. Approche statistique • 2ème cas : • Les états de réception sont inconnusthèse 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 Sarab TAY - JNCT 2013

17. Performances (méthode 2) sur données réelles (données réelles) Sarab TAY - JNCT 2013

18. Résultats sur la précision • Performances obtenues à partir de mesures (Méth. 1) (Méth. 2)

19. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

20. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

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

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

23. Pondérer les signaux Récepteur Sarab TAY - JNCT 2013

24. 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 Sarab TAY - JNCT 2013

25. 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) Sarab TAY - JNCT 2013

26. 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) Sarab TAY - JNCT 2013

27. Merci de votre attention Ifsttar 14-20 Bld. Newton Cité Descartes Champs sur Marne 77447 Marne-la-Vallée Cedex 2 France Tél. +33 (0)1 81 66 80 00 www.ifsttar.fr communication@ifsttar.fr Sarab TAY - JNCT 2013