Offre de Thèse: Positionnement précis coopératif de mobiles low‐cost en milieu urbain

 

Description

La disponibilité de récepteurs GNSS intégrés aux téléphones mobiles ou aux voitures a rendu naturel la mise à disposition de sa position géographique à l’utilisateur. Néanmoins, la qualité de cette position, notamment en milieu urbain où les conditions de réception des signaux peuvent être dégradées, laisse à désirer dès lors qu’une certaine précision ou une certaine intégrité est requise. Une hybridation avec les signaux issus d’autres capteurs internes au téléphone, accéléromètres, gyromètres et magnétomètres ou encore les signaux WiFi par exemple, peut permettre une certaine amélioration. Mais les abondantes recherches dans cette voie ont montré qu’elle ne permettait pas d’atteindre un positionnement sub-métrique, performance désormais demandée au dispositif de localisation dans quasi tout environnement. Dans ce contexte, de nombreux regards se portent à l’heure actuelle sur l’utilisation de techniques de positionnement précis de type RTK pour des utilisateurs mobiles low-cost en milieu urbain. Ce phénomène s’est accéléré depuis que Google a annoncé que ses plateformes mobiles donneront accès aux mesures GNSS brutes. Une limitation de ces techniques est encore la disponibilité d’un réseau de stations de référence suffisamment dense. 

Par conséquent, ce sujet de thèse propose d’étudier comment une communauté d’utilisateurs connectés peut s’aider dans l’obtention d’un positionnement précis à travers l’échange d’informations (mesures, positions, etc…), chaque membre de la communauté pouvant être considéré comme une potentielle station de référence.

Objectifs

L’intention de cette thèse est de permettre le positionnement précis de mobiles low-cost en environnement urbain, pédestre ou véhiculaire, par un échange coopératif d’informations liées au positionnement. 

Plus précisément, il s’agirait de compléter les mesures/informations nécessaires au positionnement précis d’un mobile (noté M), qui se trouverait dans des conditions de réception données, par celles de mobiles (notés X) environnants, qui seraient eux dans d’autres conditions de réception. Par exemple,  les informations de position/qualité de la position/mesures/qualité de mesures de plusieurs mobiles X entourant le mobile M seraient une aide précieuse pour aider au positionnement précis du mobile M (contrainte sur sa localisation, apport du positionnement relatif multi-utilisateur, compréhension de l’environnement, comparaison de mesures, etc…). Cette situation pourrait en fait être interprétée comme une volonté de localisation commune d’un groupe d’utilisateurs, chacun apportant ses éléments, chacun pouvant être considéré par les autres comme une potentielle station de référence. 

Les connaissances à faire progresser pour mener ce sujet de thèse sont multiples :

  1. Revue de l’état de l’art sur le positionnement coopératif et des informations pouvant être échangées entre utilisateurs.
  2. Modélisation mathématique de la problématique du positionnement multi-utilisateur en fonction des informations utilisées. Cette modélisation représente un système complexe à multiples variables. Cette modélisation inclura la modélisation des informations fournies par chaque utilisateur en fonction de son environnement. Rappelons que l’objectif est le positionnement précis, c’est-à-dire sub-métrique, en tout environnement, qui nécessitera donc l’utilisation de mesures de phase et certainement la notion de différentiation des mesures entre utilisateurs. Des mesures réelles pourraient pour cela être réalisées pour valider ces modèles.
  3. Réalisation d’un simulateur qui pourra générer un scenario avec un nombre variable de mobiles (et une densité qui pourra être spécifiée) et des modèles mathématiques représentatifs des informations fournies par chaque mobile. Ce simulateur permettra de valider le concept et d’avoir un premier ordre d’idée de la qualité de la position obtenue en fonction des informations fournies et de leur qualité (en particulier, qu’apporte un ou plusieurs utilisateurs qui ont une connaissance précise de leur position ?). Le simulateur permettra également de comparer la solution à un mobile « stand alone » en mode RTK avec une station de référence.
  4. Sélection des informations afin d’améliorer la qualité du positionnement (cela inclut des informations sur la densité des utilisateurs dans certaines zones). Cela nécessite l’élaboration d’un indicateur de qualité à priori. La sélection des informations peut aussi se faire au niveau de chaque mobile ou d’un serveur central. Cette qualité sera quantifiée en fonction non seulement des conditions de réception des signaux, mais aussi du niveau de performance du récepteur du mobile et de son antenne. Les conditions d’intégration des informations extérieures au mobile M dans sa solution de positionnement seront à déterminer, en fonction notamment de la qualité et de la disponibilité de ses propres mesures, mais aussi de sa distance relative aux différents mobiles X. La prise en compte des informations externes pourrait se faire sur la base d’un tout ou rien ou plus finement par une pondération qui sera à expliciter.

Organisation des Travaux de Recherche

Les phases de la thèse pourraient être les suivantes :

  • Phase 1 : Étude de l’état de l’art        
    • Les systèmes de radionavigation par satellites,
    • La modélisation des mesures GNSS, le calcul de la position GNSS et l’évaluation de sa qualité,
    • Les techniques de positionnement précis,
    • La modélisation des perturbations affectant les mesures GNSS en milieu urbain. Leur effet sur la position calculée par un mobile low-cost,
    • Les autres capteurs disponibles dans un mobile low-cost, la modélisation de leurs mesures,
    • Les techniques d’hybridation et la qualité de la position résultante,
    • Le positionnement coopératif.
  • Phase 2 : Modélisation mathématique du filtre de positionnement coopératif et des mesures associées
    • Modélisation mathématique du filtre de positionnement coopératif prenant en compte un nombre non négligeable d’utilisateurs connectés et les différents types de mesures et leurs distributions,
    • Modélisation mathématique des mesures à disposition d’un mobile en fonction de son environnement,
    • Collecte de mesures en milieu urbain à l’aide, par exemple, du matériel du laboratoire[1].
  • Phase 3 : Réalisation d’un simulateur de positionnement multi-mobile et preuve du concept
    • Élaboration de scénarios représentatifs de la distribution des mobiles en environnement urbain,
    • Conception du simulateur permettant d’implémenter ces scénarios,        
    • Implémentation d’un algorithme de calcul de PVT « stand alone » pour comparaison.
    • Tests afin de prouver le concept et d’étudier la sensibilité de la solution par rapport à plusieurs paramètres (qualité de la position des autres utilisateurs, densité, etc…).    
  • Phase 4 : Test en conditions réelles
    • Définition du test,
    • Mise en place d’un test impliquant plusieurs récepteurs mobiles.
  • Phase 5 : Optimisation du concept via la sélection des informations
    • Définition de critères de sélection des mesures sortant d’un mobile low-cost : statistiques du C/N0, élévation du satellite, différentiation des critères de sélection suivant le type de mesure (code, phase, Doppler) et le type d’environnement,        
    • Quantification de l’amélioration apportée par chaque moyen de sélection.
  • Phase 6 : Rédaction du rapport

Bibliographie

  • F. Berefelt, B. Boberg, J. Nygårds, P. Strömbäck, S.-L. Wirkander, "Collaborative GPS/INS Navigation in Urban Environment", Proceedings of the 2004 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, CA, January 2004, pp. 1114-1125.
  • L. Deambrogio, C. Palestini, F. Bastia, G. Gabelli, G. E. Corazza, J. Samson, "Impact of high-end receivers in a peer-to-peer cooperative localization system", Ubiquitous Positioning Indoor Navigation and Location Based Service (UPINLBS), 2010, Kirkkonummi, 2010, pp. 1-7, available: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5654054&isnumber..., last accessed 10/10/2016.
  • Roberto Garello, Letizia Lo Presti, Giovanni E. Corazza, Jaron Samson, “Peer-to-Peer Cooperative Positioning, Part I: GNSS-Aided Acquisition”, Inside GNSS, March/April 2012, Volume 7 Number 2, pp. 55-63, available: http://www.insidegnss.com/node/2980.
  • Roberto Garello, Jaron Samson, Maurizio A. Spirito, Henk Wymeersch, “Peer-to-Peer Cooperative Positioning, Part II: Hybrid Devices with GNSS & Terrestrial Ranging Capability”, Inside GNSS, July/August 2012, Volume 7 Number 4, pp. 56-64, available: http://www.insidegnss.com/node/3150.
  • Huang Bin, Yao Zheng, Cui Xiaowei, Lu Mingquan, Guo Jing, "GNSS Collaborative Positioning and Performance Analysis", Proceedings of the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2014), Tampa, Florida, September 2014, pp. 1920-1930.
  • Matthew J. Murrian, Collin W. Gonzalez, Todd E. Humphreys, Kenneth M. Pesyna Jr., Daniel P. Shepard, Andrew J. Kerns, “Low-cost precise positioning for automated vehicles”, GPS World, August 28, 2016, last accessed 10/10/2016, available: http://gpsworld.com/low-cost-precise-positioning-for-automated-vehicles.

[1] Le laboratoire dispose d’un véhicule équipé d’un système de trajectographie de référence NovAtel SPAN. Ce véhicule est dédié à la mesure des performances des algorithmes et systèmes de positionnement.

Profil du Candidat

Master en Télécommunications (traitement du signal numérique) ou Mathématiques

Description de la structure

Laboratoire d'accueil : TeSA

Directeur de thèse/recherche : Julien Olivier

E-mail du directeur de thèse/recherche : ojulien@recherche.enac.fr

Responsable Cnes de l'offre : MARMET François-Xavier

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 31 mars 2018.

Last updated: one month ago