FR3043468A1 - Procede et systeme de geolocalisation d'une balise par horodatage - Google Patents

Procede et systeme de geolocalisation d'une balise par horodatage Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de géolocalisation d'une balise par un serveur de géolocalisation à partir d'une pluralité de bornes d'horodatage, chacune des bornes dont la position est connue dudit serveur, étant identifiée par un unique identifiant et étant apte à communiquer avec les autres bornes d'horodatage de la pluralité de bornes d'horodatage. Le procédé comprend notamment une étape (E6) de calcul par un serveur de géolocalisation des différences d'horloge entre les bornes à partir d'impulsions de référence horodatées, une étape (E8) de compensation, à partir des différences calculées, des instants d'horodatage de messages horodatés reçus et une étape (E9) de localisation de la balise à partir des instants d'horodatage compensés.

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE GEOLOCALISATION D'UNE BALISE PAR HORODATAGE DOMAINE TECHNIQUE ET OBJET DE L'INVENTION
La présente invention se rapporte au domaine de la localisation et concerne plus particulièrement un procédé et un système de géolocalisation d'une balise. L'invention s'applique particulièrement à la géolocalisation d'objets stockés dans un entrepôt.
ETAT DE LA TECHNIQUE
De nos jours, on connaît plusieurs types de systèmes de géolocalisation d'objets ou de personnes. Ces systèmes utilisent un dispositif mobile dont on veut connaître la localisation géographique ou « géolocalisation ».
Dans la solution connue appelée GPS (Global Positioning System), le système comprend une pluralité d'émetteurs-récepteurs de type satellite, fixes par rapport à la Terre, et le dispositif est un récepteur mobile qui reçoit des signaux de détection émis, de manière continue ou périodique, par la pluralité de satellites. Le récepteur mobile compare les délais de transmission de chaque signal reçu afin de déterminer sa position par triangulation.
Cependant, les signaux envoyés par les satellites ne peuvent pas toujours être reçus à l'intérieur d'une structure telle qu'un entrepôt ou un immeuble, ce qui ne permet pas de localiser précisément des objets dans un espace fermé et présente donc un inconvénient. De plus, le dispositif récepteur mobile doit réaliser les calculs de triangulation à partir des délais de transmission de chaque signal reçu, ce qui le rend complexe et coûteux et présente donc encore un autre inconvénient. Par ailleurs, un tel système de géolocalisation par satellite peut présenter une faible précision, de l'ordre de 5 à 10 mètres du fait de l'éloignement entre les satellites et le dispositif récepteur mobile et du fait de l'atmosphère terrestre, ce qui peut s'avérer problématique lorsque l'on veut géolocaliser des objets de faibles dimensions. De plus, l'horloge de chaque émetteur-récepteur peut naturellement et de manière connue dériver, ce qui entraîne des erreurs de géolocalisation. A titre d'exemple, un oscillateur à cristal à température contrôlée présente une précision de l'ordre de 50 ppb et le signal parcourt environ 15 cm en 500 ps. Aussi, un décalage supérieur à 500 ps entre les horloges de deux émetteurs peut correspondre à une erreur de géolocalisation supérieure à 15 cm, ce qui peut résulter dans le cas de satellites, compte tenu de la distance, en une erreur de plusieurs mètres. Pour limiter ces erreurs, il est donc nécessaire de synchroniser les émetteurs entre eux pour que le dispositif récepteur mobile puisse comparer les délais de transmission de chaque signal reçu et ainsi déterminer sa position. Une telle synchronisation est toutefois complexe et coûteuse, ce qui présente un inconvénient majeur.
PRESENTATION GENERALE DE L'INVENTION L'invention vise à résoudre au moins en partie ces inconvénients en proposant une solution simple, fiable, efficace, robuste, précise et peu onéreuse de géolocalisation d'une balise, notamment dans un espace fermé tel qu'une pièce d'un immeuble ou un entrepôt. A cet effet, l'invention a tout d'abord pour objet un procédé de géolocalisation d'une balise par un serveur de géolocalisation à partir d'une pluralité de bornes d'horodatage, chacune des bornes, dont la position est connue dudit serveur, étant identifiée par un unique identifiant et étant apte à communiquer avec les autres bornes d'horodatage de la pluralité de bornes d'horodatage, ledit procédé comprenant : - une étape d'émission d'une impulsion de référence par chacune des bornes d'horodatage à destination des autres bornes d'horodatage, ladite impulsion de référence comprenant l'identifiant de la borne d'émission, - une étape de réception par chacune des bornes d'horodatage des impulsions de référence émises par les autres bornes d'horodatage, - une étape d'horodatage, à réception, par chacune des bornes d'horodatage des impulsions de référence reçues des autres bornes, - une étape d'envoi, par chacune des bornes d'horodatage, au serveur de géolocalisation, des impulsions de référence horodatées, - une étape de réception par le serveur de géolocalisation des impulsions de référence horodatées envoyées par chacune des bornes d'horodatage, - une étape de calcul par le serveur de géolocalisation des différences (ou décalages) d'horloge entre les bornes à partir des impulsions de référence horodatées et de la position connue des bornes, - une étape de réception par le serveur de géolocalisation d'une pluralité de messages de localisation horodatés, chaque message de localisation horodaté reçu correspondant à un même message de localisation diffusé préalablement par la balise qui a été horodaté et envoyé par l'une (et une seule) des bornes d'horodatage, - une étape de compensation, par le serveur de géolocalisation, à partir des différences calculées, des instants d'horodatage des messages de localisation horodatés reçus, et - une étape de localisation, par le serveur de géolocalisation, de la balise à partir des instants d'horodatage compensés.
Avec le procédé selon l'invention, il n'est pas nécessaire de synchroniser les horloges des bornes afin d'éviter qu'elles dérivent. En effet, le procédé selon l'invention permet de compenser ou corriger les délais de transmission des signaux entre la balise et les bornes à partir d'impulsions de référence échangées entre les bornes. Une telle compensation permet de s'assurer que les différences d'horloge entre les horloges des bornes restent faibles, de préférence inférieures à 500 ps afin de pouvoir géolocaliser une balise avec une précision inférieure à 15 cm. Le procédé peut ainsi avantageusement être utilisé dans une espace fermé, par exemple tel qu'un entrepôt ou un immeuble. En outre, étant donné que la balise se contente de diffuser un signal comportant un message de localisation comprenant son identifiant et qu'aucun calcul de localisation n'est réalisé par la balise, celle-ci est simple et peu onéreuse, ce qui réduit la complexité et le coût du système.
De préférence, l'étape d'horodatage comprend en outre l'insertion de l'identifiant de la borne procédant à l'horodatage dans chaque impulsion de référence horodatée (reçue préalablement d'une autre borne).
De préférence encore, l'étape de calcul des différences d'horloge est réalisée entre les bornes d'horodatage deux à deux.
Selon un aspect de l'invention, la différence d'horloge entre deux bornes A et B est calculée selon l'équation suivante :
où :
τΑ est l'instant d'émission d'une impulsion de référence par la borne A, rB est l'instant de réception, par la borne B, de l'impulsion de référence envoyée par la borne A, - τAC est le délai de transmission du signal entre la borne A et la borne C, - τβc est le délai de transmission du signal entre la borne B et la borne C.
Avantageusement, la différence d'horloge entre deux bornes A et B peut être déterminée à un instant t3 entre deux calculs de différences d'horloge par le serveur, à des instants tl et t2, selon l'équation suivante : où :
- Pabxi est la différence d'horloge entre la borne A et la borne B calculée par le serveur à un instant tl, - Pab,î2 est la différence d'horloge entre la borne A et la borne B calculée par le serveur à un instant t2, postérieur à l'instant tl, - t3 est un instant compris entre l'instant tl et l'instant t2.
Selon un aspect de l'invention, la localisation est réalisée par triangulation, qui est une méthode aisée de localisation.
De manière avantageuse, l'émission d'une impulsion de référence par chacune des bornes à destination des autres bornes est réalisée de manière périodique, par exemple avec une période comprise entre une milliseconde et une heure. De préférence, la période est de l'ordre de quelques centaines de secondes afin d'éviter que les horloges des bornes ne dérivent trop les unes par rapport aux autres tout en évitant de consommer trop d'énergie avec une fréquence d'émission trop importante.
Selon un aspect de l'invention, l'émission d'une impulsion de référence par chacune des bornes à destination des autres bornes est réalisée sur un lien de communication sans fil, par exemple de type Wifi.
L'invention concerne aussi une borne d'horodatage d'un système de géolocalisation d'une balise, ledit système comprenant une pluralité de bornes d'horodatage, ladite borne étant apte à communiquer avec les autres bornes du système et comprenant : - un module de réception configuré pour recevoir des impulsions de référence émises par les autres bornes, - un module d'horodatage configuré pour horodater des d'impulsions de référence reçues par le module de réception, et - un module d'émission configuré pour émettre de manière périodique une impulsion de référence à destination des autres bornes et pour émettre, par exemple de manière périodique, vers un serveur de géolocalisation une pluralité d'impulsions de référence reçues des autres bornes et horodatées par le module d'horodatage.
Ainsi, avantageusement, lorsqu'elle émet une impulsion de référence, chaque borne se comporte comme une balise du point de vue des autres bornes.
Selon un aspect de l'invention, la borne étant identifiée par un unique identifiant dans le système, le module d'horodatage est configuré pour insérer l'identifiant de la borne dans chaque impulsion de référence horodatée reçue d'une autre borne. L'invention concerne aussi un serveur de géolocalisation d'une balise à partir d'une pluralité de bornes d'horodatage telles que présentées précédemment, la position de chacune des bornes étant connue dudit serveur, ladite balise étant configurée pour diffuser un signal comportant un message de localisation comprenant un identifiant de la balise, le serveur comprenant : - un module de réception configuré, d'une part, pour recevoir une pluralité de messages de localisation horodatés, chaque message de localisation horodaté reçu correspondant à un même message de localisation diffusé préalablement par la balise qui a été horodaté et envoyé par l'une (et une seule) des bornes d'horodatage, et, d'autre part, pour recevoir une pluralité d'ensembles d'impulsions de référence, chaque ensemble ayant été envoyé par l'une (et une seule) des bornes d'horodatage et comprenant une pluralité d'impulsions de référence horodatées par ladite borne d'émission, - un module de calcul des différences (ou décalages) d'horloge entre les bornes d'horodatage à partir de la pluralité d'ensembles reçus et de la position connue des bornes, - un module de compensation de l'instant d'horodatage de chaque message de localisation horodaté reçu à partir des différences calculées, - un module de localisation de la balise par triangulation à partir des instants d'horodatage compensés.
Un ensemble d'impulsions de référence horodatées comprend les impulsions de référence reçues et horodatées par une même borne sur un intervalle de temps dit « de calibrage », par exemple de l'ordre de quelques secondes, pendant lequel chaque borne émet une impulsion à destination des autres. Cet intervalle de temps de calibrage est de préférence périodique, par exemple toutes les 1000 secondes, et peut par exemple être déclenché par le serveur via un message de commande envoyé aux bornes. L'intervalle de temps de calibrage permet à chaque borne de recevoir les impulsions de référence envoyées par les autres bornes, de les horodater et de les envoyer au serveur de sorte qu'il puisse périodiquement évaluer les dérives des horloges des bornes les unes par rapport aux autres afin de compenser les instants d'horodatage des messages émis par la balise et permettre une localisation précise.
De préférence, le module de calcul est configuré pour calculer la différence d'horloge entre deux bornes A et B selon l'équation suivante :
où : - τΑ est l'instant d'émission d'une impulsion de référence par la borne A, - τΒ est l'instant de réception, par la borne B, de l'impulsion de référence envoyée par la borne A, - tac est le délai de transmission du signal entre la borne A et la borne C, - tbc est le délai de transmission du signal entre la borne B et la borne C.
De préférence encore, le module de calcul est configuré pour déterminer la différence d'horloge entre deux bornes A et B à un instant t3 entre deux calculs de différences d'horloge par le serveur, à des instants tl et t2, selon l'équation suivante :
où : - Pabxi est la différence d'horloge entre la borne A et la borne B calculée par le serveur à un instant tl, - Pabx2 est la différence d'horloge entre la borne A et la borne B calculée par le serveur à un instant t2, postérieur à l'instant tl, - t3 est un instant compris entre l'instant tl et l'instant t2.
Avantageusement, le serveur de géolocalisation comprend en outre un module d'émission configuré pour émettre ou mettre à disposition la position géographique de la balise déterminée par le module de localisation, par exemple afin qu'un opérateur puisse trouver rapidement l'objet sur lequel la balise est placée. L'invention concerne aussi un système comprenant une pluralité de bornes d'horodatage telles que présentées précédemment et au moins un serveur de géolocalisation tel que présenté précédemment.
DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 illustre schématiquement une forme de réalisation du système selon l'invention. La figure 2 illustre schématiquement une forme de réalisation d'une borne d'horodatage selon l'invention.
La figure 3 illustre schématiquement une forme de réalisation d'un serveur de géolocalisation selon l'invention.
La figure 4 illustre schématiquement un système de trois bornes permettant la triangulation d'une balise et la compensation des différences d'horloges.
La figure 5 illustre schématiquement une triangulation par le système de la figure 4.
La figure 6 illustre schématiquement un mode de mise en œuvre du procédé selon l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Description d'une forme de réalisation du système selon l'invention
Le système selon l'invention va être présenté ci-après en référence aux figures 1 à 5. I. Système 1
Tout d'abord, en référence à la figure 1, le système 1 selon l'invention permet la géolocalisation d'une balise 10 placée sur un objet 3 placé dans un espace 5, de préférence fermé tel qu'une pièce, un immeuble, un entrepôt, une usine etc. Il va cependant de soi que le système 1 selon l'invention pourrait aussi bien être utilisé dans un espace ouvert, par exemple en extérieur. En outre, on notera que la balise 10 pourrait aussi être montée ou implémentée dans un équipement, par exemple porté par un utilisateur.
Par le terme « géolocalisation », on entend la détermination de la position de l'objet 3 dans l'espace 5. Cette position peut être définie pas des coordonnées, géographiques ou autre, définies dans un référentiel lié à l'espace 5 ou la Terre, par exemple en deux dimensions ou en trois dimensions.
Dans cet exemple illustratif non limitatif de la portée de l'invention, le système 1 comprend une balise 10 de géolocalisation fixée sur l'objet 3 à géolocaliser, quatre bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 et un serveur de géolocalisation 30. Il va de soi qu'en pratique une pluralité de balises 10 peuvent être utilisées simultanément dans l'espace 5, par exemple afin de gérer un stock dans un entrepôt. 1) Balise 10 de géolocalisation
La balise 10 de géolocalisation peut par exemple se présenter sous la forme d'une étiquette autocollante de type tag. La balise 10 est associée à un identifiant unique (au moins au sein du système 1), permettant d'associer un objet 3 à une position et donc de géolocaliser l'objet 3 sur lequel est fixée la balise 10. Cet identifiant peut par exemple se présenter sous la forme d'une suite de bits ou de caractères alphanumériques.
La balise 10 est configurée pour diffuser, par exemple périodiquement, sur un lien de communication radio Kl, à destination des bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4, un signal dans lequel est codé un message dit « de localisation » comprenant l'identifiant de la balise 10. On notera que ce message de localisation peut comprendre, outre l'identifiant, d'autres informations, de préférence de faible taille numérique afin de garder l'envoi du message peu énergivore, telles que, par exemple, un statut externe (porte ouverte, alarme déclenchée...), une mesure de température, etc.
La période de diffusion du message de localisation est de préférence faible, par exemple de l'ordre de quelques dixièmes de secondes ou quelques secondes. Cette période peut être variable en étant déterminée par l'atteinte d'un niveau d'énergie suffisant de la balise 10 pour émettre le signal.
Le lien de communication radio peut avantageusement être un lien de type UWB (Ultra Wide Band) dans lequel la puissance du signal est faible et nécessite donc peu d'énergie pour être émis par la balise 10.
Dans une forme de réalisation préférée, la balise 10 est configurée pour produire et stocker de l'énergie électrique à partir d'un champ magnétique généré par exemple par les bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. Dans une autre forme de réalisation, la balise 10 pourrait produire et stocker de l'énergie électrique à partir d'énergie solaire, reçue via un capteur solaire, ou d'énergie cinétique générée par les vibrations ou les déplacements de la balise 10. On notera que toute forme adaptée de collecte ou production d'énergie électrique pourrait être envisagée. On notera aussi que, dans une autre forme de réalisation, la balise 10 pourrait comprendre une batterie d'alimentation en énergie électrique. 2) Borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4
Chaque borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 est identifiée par un identifiant unique dans le système 1, par exemple une suite de caractères alphanumériques.
Le nombre de quatre bornes d'horodatage de cette exemple n'est pas limitatif de la portée de la présente invention qui pourrait en comporter plus ou moins de quatre selon la configuration de l'espace fermé 5 ou le degré de précision souhaité de la localisation. L'utilisation de quatre bornes d'horodatage permet de localiser un objet dans l'espace, c'est-à-dire en trois dimensions. L'utilisation de trois bornes d'horodatage permet de localiser un objet sur une surface, c'est-à-dire en deux dimensions. L'utilisation de deux bornes d'horodatage permet de localiser un objet selon un axe, c'est-à-dire selon une dimension.
Dans l'exemple de la figure 1, l'utilisation de quatre bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 permet avantageusement de localiser la balise 10 dans l'espace 5 tridimensionnelle. Une telle configuration peut par exemple être utilisée lorsque la balise 10 est associée à un objet stocké sur une étagère dans un entrepôt. Les bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 peuvent par exemple être disposées dans chaque coin d'un entrepôt. Un nombre supérieur au nombre minimum nécessaire de bornes d'horodatage permet au serveur de géolocalisation 30 d'obtenir plus de messages horodatés et donc d'améliorer la précision de la géolocalisation de l'objet 3.
En référence à la figure 2, chaque borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 comprend un module de réception 210, un module d'horodatage 220 et un module d'émission 230.
Le module de réception 210 est configuré pour recevoir les signaux émis périodiquement par la balise de géolocalisation 10 sur le lien de communication Kl et qui comportent un message de localisation comprenant un identifiant de ladite balise 10. Le module de réception 210 est également configuré pour recevoir des impulsions de référence émises par les autres bornes 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. Par les termes « impulsion de référence », on entend un signal émis à destination des autres bornes, par exemple sur un lien de communication sans fil de type Wifi ou autre, comprenant au moins l'identifiant de la borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 qui l'a émise.
Le module d'horodatage 220 est configuré pour horodater les messages de localisation et les impulsions de référence reçus par le module de réception 210. Par horodatage, on entend l'indication d'au moins une information temporelle, par exemple en millisecondes, par rapport à une référence temporelle prédéterminée, la date n'étant qu'une information optionnelle. Cette information temporelle permet d'indiquer l'instant auquel le message ou l'impulsion de référence a été reçu par la borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. Pour ce faire, chaque borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 comprend sa propre horloge, réalisée à partir d'un oscillateur, qui délivre une indication temporelle que le module d'horodatage 220 va insérer dans chaque message reçu de la balise 10.
Le module d'émission 230 est tout d'abord configuré pour émettre ou diffuser de manière périodique un signal comportant une impulsion de référence à destination des autres bornes 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 du système 1. Ainsi, dans l'exemple de la figure 1, le module d'émission 230 de la borne 20-1 est configuré pour émettre de manière périodique une impulsion de référence à destination des trois autres bornes d'horodatage 20-2, 20-3, 20-4 et ainsi de suite. Le signal comportant l'impulsion de référence émis par chaque borne 20-2, 20-3, 20-4 peut être du même type que le signal diffusé par la balise 10 de sorte que la borne 20-2, 20-3, 20-4 se comporte alors comme une balise 10 vis-à-vis des autres bornes 20-2, 20-3, 20-4 lorsqu'elle émet des impulsions de référence. La période d'émission peut avantageusement être adaptée pour permettre une correction des instants d'horodatage par le serveur de géolocalisation 30 de manière régulière pour conserver la précision du système 1 sans utiliser trop de ressources des bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. A titre d'exemple, la période d'émission peut être fixée à 1000 secondes. De préférence, les bornes 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 du système 1 émettent sur un intervalle de temps dit « de calibrage » une impulsion de référence à destination des autres bornes 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. L'impulsion de référence comprend l'identifiant de la borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 émettrice. On notera que les bornes 20-1, 20-2, 20-3,20-4 peuvent être programmées pour émettre une impulsion de référence de manière périodique ou bien peuvent recevoir simultanément une instruction du serveur de géolocalisation 30 leur demandant d'émettre une impulsion de référence à destination des autres bornes 20-1, 20-2, 20-3, 20-4.
Le module d'émission 230 est également configuré pour émettre vers le serveur de géolocalisation 30 un message de localisation ou une impulsion de référence qui ont été horodatés par le module d'horodatage 220 et auxquels il ajoute l'identifiant de la borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 émettrice afin que le serveur de géolocalisation 30 puisse à la fois déterminer l'émetteur d'un message ou d'une impulsion de référence ainsi que la borne 20-2, 20-3, 20-4 l'ayant horodaté. A cette fin, en référence à la figure 1, chaque borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 est reliée au serveur de géolocalisation 30 sur un lien de communication respectivement Ll, L2, L3, L4 afin de lui communiquer les messages de localisation et les impulsions de référence horodatés. Ces liens de communications Ll, L2, L3, L4 peuvent être des liens de communications filaires ou sans fil, par exemple de type 3G, 4G, Wifi, Ethernet etc. 3) Serveur de géolocalisation 30
Le serveur de géolocalisation 30 peut être situé dans l'espace 5 ou hors de l'espace 5 et est relié aux bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4, par exemple via le réseau Internet ou tout lien de communication adapté, comme mentionné ci-avant.
En référence à la figure 3, le serveur de géolocalisation 30 comprend un module de réception 310, un module de calcul 320, un module de compensation 330 et un module de localisation 340.
Le module de réception 310 est configuré pour recevoir, de chaque borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4, les messages de localisation horodatés par ladite borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 et les impulsions de référence (reçues préalablement des autres bornes 20-1, 20-2, 20-3, 20-4) horodatées par ladite borne 20-1, 20-2, 20-3,20-4 auxquels ont été ajouté l'identifiant de ladite borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. Un message de localisation reçu par le serveur de géolocalisation 30 comprend donc l'identifiant de la balise 10 ainsi que l'identifiant et l'instant d'horodatage de la borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 qui l'a horodaté et envoyé au serveur 30. De même, une impulsion de référence reçue par le serveur de géolocalisation 30 comprend l'identifiant de la borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 qui l'a émise ainsi que l'identifiant et l'instant d'horodatage de la borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 qui l'a horodatée et envoyée au serveur 30. On notera que, chaque borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 recevant et horodatant les impulsions de référence envoyées par les autres bornes 20-1, 20-2, 20-3, 20-4, le serveur 30 reçoit donc de chaque borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 et de manière périodique un ensemble d'impulsions de référence (reçues des autres bornes) horodatées.
Le module de calcul 320 est configuré pour calculer les différences d'horloge entre les bornes 20-1, 20-2,20-3,20-4 deux à deux à partir des ensembles d'impulsions de référence horodatées reçues de chaque borne 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 comme cela sera détaillé ci-après.
Le module de compensation 330 est configuré pour compenser l'instant d'horodatage de chaque message de localisation, émis par la balise 10 et horodaté par chacune des bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4, à partir des différences calculées par le module de calcul 320.
Le module de localisation 340 de la balise 10 est configuré pour déterminer la localisation de la balise 10 par triangulation à partir des instants d'horodatage compensés par le module de compensation 330.
Pour réaliser cette triangulation, le serveur de géolocalisation 30 connaît la position fixe prédéterminée, dans l'espace fermé 5, de chacune des quatre bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4.
La triangulation est réalisée à partir d'un groupe de messages horodatés correspondant à un même message émis par la balise 10 et de la position fixe prédéterminée dans l'espace fermé 5 de chacune des quatre bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4.
Pour une borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 donnée, le délai de propagation d'un signal radio est linéairement dépendant de la distance parcourue selon l'équation suivante :
où τ est le délai de propagation du signal entre la balise 10 et la borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 (délai de transmission), δ est la distance entre la balise 10 et la borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 et c est la vitesse de la lumière.
Le délai de transmission τ permet donc de déterminer la distance séparant la balise 10 de la borne d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. Afin d'éviter l'utilisation d'un temps absolu de références pour déterminer ce délai, notamment au niveau de la balise 10, on utilise les différences de temps d'arrivée, d'un message émis par la balise 10, à chacune des bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4. En effet, une gestion d'un temps absolu de référence par la balise 10 nécessiterait une alimentation constante de la balise 10 en énergie électrique, qui ne pourrait donc pas fonctionner en basse consommation, une horloge
interne à la balise 10 et une méthode de resynchronisation, ce qui rendrait la balise 10 complexe, volumineuse et coûteuse.
Les calculs de triangulation permettant de déterminer la position de la balise 10 dans l'espace 5 vont être décrits en référence aux figures 4 et 5. A des fins de clarté, la figure 4 illustre une balise référencée T de coordonnées spatiales (x, y, z) dans le repère tridimensionnel (X, Y, Z) et seulement trois bornes d'horodatage référencées A, B, C, notamment afin de présenter les calculs de manière claire, ces calculs pouvant être transposés à quatre bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4.
En l'absence de référence temporelle absolue, le délai de transmission d'un message émis par la balise T à destination de chacune des bornes A, B, C ne peut être déterminé que de manière relative. En outre, la détermination de ce délai de transmission pour chacune des bornes A, B, C ne sera précis qu'à la condition que les retards dus au fait que les bornes A, B, C ne soient pas synchronisées et à la dérive de leurs horloges ne soient corrigés.
Pour ce faire, on définit : xTA comme étant le délai de transmission entre la balise T et la borne A, xTB comme étant le délai de transmission entre la balise T et la borne B, xTC comme étant le délai de transmission entre la balise T et la borne C, xAB comme étant le délai de transmission entre la borne A et la borne B, tBC comme étant le délai de transmission entre la borne B et la borne C, xAC comme étant le délai de transmission entre la borne A et la borne C, posA = (xA>yA’zA)' les coordonnées spatiales indiquant la position de la borne A, posB = (x5,yB,zB), les coordonnées spatiales indiquant la position de la borne B, posc = (xc, yc> zc), les coordonnées spatiales indiquant la position de la borne C,
la distance séparant la borne A de la borne B,
, la distance séparant la borne B de la borne C,
, la distance séparant la borne A de la borne C.
Dans la méthode de localisation par triangulation, comme illustré à la figure 5, la balise T de coordonnées spatiales (x, y, z) se trouve à l'intersection de trois cercles Ca, Cb, Ce centrés chacun sur l'une des bornes A, B, C.
On a alors :
la distance séparant la balise T de la borne B,
la distance séparant la balise T de la borne C,
la distance séparant la balise T de la borne C.
Pour une localisation en deux dimensions selon les axes X et Y (pas de coordonnées selon l'axe Z), le système d'équations à résoudre est le suivant :
[1]
Afin d'intégrer les différences entre les distances parcourues par le signal de la balise T à chacune des bornes A, B, C dans ces équations, on définit une borne de référence, par exemple la borne A, et :
, qui représente la différence entre la distance entre la balise T et la borne A et la distance entre la balise T et la borne B,
qui représente la différence entre la distance entre la balise T et la borne A et la distance entre la balise T et la borne C.
Cette définition permet de réduire le système d'équations [1] au système d'équations [2] suivant de trois équations à trois inconnues Ata, x and y :
[2]
Afin de résoudre un tel système [2], on le réduit tout d'abord au système [3] suivant :
[3]
Que l'on combine en l'unique équation suivante :
[4]
Ce système est un système de trois équations à trois inconnues que l'on peut résoudre analytiquement de manière connue.
Pour une localisation en trois dimensions, le système d'équations à résoudre est le suivant :
[5] c'est-à-dire un système de quatre équations à quatre inconnues ΔΤΑ, x, y and z.
Ce système peut être résolu numériquement de manière connue, par exemple en utilisant une méthode dite des moindres carrées ou tout autre méthode adaptée.
Dans cet exemple préféré, le serveur de géolocalisation 30 comprend en outre un module d'émission 350 configuré pour émettre ou mettre à disposition la position géographique de la balise 10 déterminée par le module de localisation 340, par exemple afin qu'un opérateur puisse trouver rapidement l'objet 3 sur lequel la balise 10 est placée.
L'invention va maintenant être décrite pour un mode préféré de réalisation en référence aux figures 4 à 6, ce mode n'étant aucunement limitatif de la portée de la présente invention. II. Mise en oeuvre de l'invention
Toujours pour des raisons de clarté, la mise en oeuvre de l'invention va être décrite en référence aux figures 4 à 6 pour un système à trois bornes d'horodatage A, B et C mais peut être transposée à un système comportant plus ou moins de trois bornes.
Le procédé selon l'invention permet de compenser les différences entre les horloges d'horodatage des bornes A, B, C dues notamment à la dérive de leurs horloges respectives.
On définit tout d'abord : - τΑΒ, le délai de transmission du signal entre la borne A et la borne B, tbc, le délai de transmission du signal entre la borne B et la borne C, - tac, le délai de transmission du signal entre la borne A et la borne C, pA, l'erreur locale de l'oscillateur de la borne A, pB, l'erreur locale de l'oscillateur de la borne B, pc, l'erreur locale de l'oscillateur de la borne C, - pAB, la différence d'horloge entre la borne A et la borne B, - Pbc, la différence d'horloge entre la borne B et la borne C, - pAC, la différence d'horloge entre la borne A et la borne C.
Tout d'abord, dans une étape El, chaque borne A, B, C diffuse dans un signal radio, sous la forme d'une impulsion de référence, à destination des deux autres bornes (respectivement B, C ; A, C ; A, B), son identifiant de manière périodique, par exemple toutes les 1000 secondes.
Chaque borne A, B, C reçoit, dans une étape E2, les impulsions de référence émises par les autres bornes A, B, C. En d'autres termes, la borne A reçoit l'impulsion de référence envoyée par la borne B et l'impulsion de référence envoyée par la borne C, la borne B reçoit l'impulsion de référence envoyée par la borne A et l'impulsion de référence envoyée par la borne C et la borne C reçoit l'impulsion de référence envoyée par la borne A et l'impulsion de référence envoyée par la borne B. A chaque réception d'une impulsion de référence, le module d'horodatage 220 de chaque borne A, B, C horodate, dans une étape E3, les deux impulsions de référence qu'elle reçoit des deux autres bornes (respectivement B, C ; A, C ; A, B) et insère son identifiant puis transmet ces informations dans une étape E4 au serveur de géolocalisation 30 qui les reçoit dans une étape E5.
Le serveur de géolocalisation 30 calcule, dans une étape E6, les différences d'horloge entre les bornes A, B, C à partir des impulsions de référence horodatées reçues.
De manière détaillée, partant de la borne A, on considère que la borne A envoi une impulsion de référence à l'instant τΑ qui est reçue par la borne B à l'instant τΒ et par la borne C à l'instant tc. L'horodatage dépend à la fois de la distance entre la borne A et la borne B et de la différence d'horloge entre la borne A et la borne B :
[6]
De même, l'horodatage dépend à la fois de la distance entre la borne A et la borne C et de la différence d'horloge entre la borne A et la borne B :
[7]
En soustrayant ces deux équations [6] et [7], on obtient : [8] soit :
[9]
De la même manière, on peut définir : [10] et [11] Dès lors que les calculs de triangulation nécessitent de soustraire les différences entre les temps de réception, l'ajout de ces équations [9], [10] et [11] éliminera les différences d'horloge entre les bornes A, B, C.
Comme mentionné précédemment, les oscillateurs d'horloge des bornes A, B, C dérivent avec le temps voire avec la température, entraînant ainsi une dérive des décalages temporels entre les horloges.
Afin d'éliminer cette erreur, dans un mode de réalisation préféré, on retarde le calcul de la distance entre la balise T et chacune des bornes A, B, C jusqu'à la réception des impulsions de référence suivante par chacune des bornes A, B, C.
On note :
Pabxi >a différence d'horloge entre la borne A et la borne B calculée par le serveur à un instant tl, - pAB,t2 la différence d'horloge entre la borne A et la borne B calculée par le serveur à un instant t2, postérieur à l'instant tl, - t3 un instant compris entre l'instant tl et l'instant t2.
En utilisant la borne A comme référence, la différence d'horloge ρΑΒχ3 entre la borne A et la borne B au temps t3 est donnée par l'équation suivante :
[12]
Cette différence d'horloge peut être calculée de manière similaire entre la borne A et la borne C et entre la borne B et la borne C par le serveur de géolocalisation 30. On notera que l'équation [12] est une interpolation linéaire. Cependant, si les dérives des horloges des bornes A, B, C suivent une autre courbe, il est préférable d'utiliser une interpolation d'un ordre plus élevé, par exemple quadratique, ou bien encore en augmentant la fréquence d'émission des impulsions de référence, afin d'améliorer la correction de ces différences d'horloge.
Ainsi, lorsque le serveur de géolocalisation 30 reçoit, dans une étape E7, trois messages de localisation horodatés suite à l'émission d'un message par la balise 10 (chacun des trois messages ayant été horodaté et envoyé par l'une des bornes A, B, C), il compense, dans une étape E8, les instants d'horodatage des messages reçus à partir des différences de temps calculées entre les horloges des bornes A, B et C puis localise la balise 10 dans une étape E9 en utilisant les instants corrigés afin d'améliorer la précision de la localisation.
Chaque message de localisation horodaté reçu d'une borne est compensé avec la différence de temps, positive ou négative, calculée pour la borne associée.
Tous les messages de localisation horodatés reçus par le serveur 30, par exemple toutes les 10 secondes, sont compensés en utilisant les différences ainsi calculées jusqu'à ce que de nouvelles impulsions de référence horodatées soient reçues par le serveur 30 qui calculera alors de nouvelles différences (par exemple toutes les 1000 secondes) et les utilisera pour compenser les messages de localisation horodatés ultérieurs et ainsi de suite.
Le procédé selon l'invention permet donc avantageusement de corriger les dérives temporelles des horloges des bornes A, B, C entre elles afin d'améliorer la précision de la triangulation et donc de la géolocalisation de la balise 10. 11 est à noter que la présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. Notamment, les formes et dimensions de l'objet 3, de l'espace 5, de la balise 10, des bornes d'horodatage 20-1, 20-2, 20-3, 20-4, A, B, C tels que représentés sur les figures de façon à illustrer un exemple de réalisation de l'invention, ne sauraient être interprétés comme limitatifs.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de géolocalisation d'une balise (10) par un serveur de géolocalisation (30) à partir d'une pluralité de bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), chacune des bornes (20), dont la position est connue dudit serveur (30), étant identifiée par un unique identifiant et étant apte à communiquer avec les autres bornes d'horodatage (20- 1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) de la pluralité de bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), ledit procédé comprenant : - une étape (El) d'émission d'une impulsion de référence par chacune des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) à destination des autres bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), ladite impulsion de référence comprenant l'identifiant de la borne (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) d'émission, - une étape (E2) de réception par chacune des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) des impulsions de référence émises par les autres bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), - une étape (E3) d'horodatage, à réception, par chacune des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) des impulsions de référence reçues des autres bornes (20-1, 20- 2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), - une étape (E4) d'envoi, par chacune des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), au serveur de géolocalisation (30), des impulsions de référence horodatées, - une étape (E5) de réception par le serveur de géolocalisation (30) des impulsions de référence horodatées envoyées par chacune des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), - une étape (E6) de calcul par le serveur de géolocalisation (30) des différences d'horloge entre les bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4; A, B, C) à partir des impulsions de référence horodatées et de la position connue des bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), - une étape (E7) de réception par le serveur de géolocalisation (30) d'une pluralité de messages de localisation horodatés, chaque message de localisation horodaté reçu correspondant à un même message de localisation diffusé préalablement par la balise (10) qui a été horodaté et envoyé par l'une des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), - une étape (E8) de compensation, par le serveur de géolocalisation, à partir des différences calculées, des instants d'horodatage des messages de localisation horodatés reçus, et - une étape (E9) de localisation, par le serveur de géolocalisation, de la balise (10) à partir des instants d'horodatage compensés.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d'horodatage (E3) comprend en outre l'insertion de l'identifiant de la borne (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) procédant à l'horodatage dans chaque impulsion de référence horodatée.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'étape (E6) de calcul des différences d'horloge est réalisée entre les bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) deux à deux.
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la différence d'horloge entre deux bornes (A, B) est calculée selon l'équation suivante :
    où : - τΑ est l'instant d'émission d'une impulsion de référence par la borne A, - τΒ est l'instant de réception, par la borne B, de l'impulsion de référence envoyée par la borne A, - tac est le délai de transmission du signal entre la borne A et la borne C, - rBC est le délai de transmission du signal entre la borne B et la borne C.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la localisation est réalisée par triangulation.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'émission d'une impulsion de référence par chacune des bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) à destination des autres bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) est réalisée de manière périodique.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la période est de l'ordre de quelques centaines de secondes.
  8. 8. Borne (20-1, 20-2, 20-3, 20-4; A, B, C) d'horodatage d'un système (1) de géolocalisation d'une balise (10), ledit système (1) comprenant une pluralité de bornes
    d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), ladite borne (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) étant apte à communiquer avec les autres bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) du système (1) et comprenant : - un module (210) de réception configuré pour recevoir des impulsions de référence émises par les autres bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), - un module d'horodatage (220) configuré pour horodater des d'impulsions de référence reçues par le module de réception (210), et - un module (230) d'émission configuré pour émettre de manière périodique une impulsion de référence à destination des autres bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4; A, B, C) et pour émettre vers un serveur de géolocalisation (30) une pluralité d'impulsions de référence reçues des autres bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4; A, B, C) et horodatées par le module d'horodatage (220).
  9. 9. Serveur (30) de géolocalisation d'une balise (10) à partir d'une pluralité de bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) selon la revendication 8, la position de chacune des bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) étant connue dudit serveur (30), ladite balise (10) étant configurée pour diffuser un signal comportant un message de localisation comprenant un identifiant de la balise (10), le serveur (30) comprenant : - un module (310) de réception configuré, d'une part, pour recevoir une pluralité de messages de localisation horodatés, chaque message de localisation horodaté reçu correspondant à un même message de localisation diffusé préalablement par la balise (10) qui a été horodaté et envoyé par l'une des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), et, d'autre part, pour recevoir une pluralité d'ensembles d'impulsions de référence, chaque ensemble ayant été envoyé par l'une des bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) et comprenant une pluralité d'impulsions de référence horodatées par ladite borne (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) d'émission, - un module (320) de calcul des différences d'horloge entre les bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) à partir de la pluralité d'ensembles reçus et de la position connue des bornes (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C), - un module (330) de compensation de l'instant d'horodatage de chaque message de localisation horodaté reçu à partir des différences calculées, - un module (340) de localisation de la balise (10) par triangulation à partir des instants d'horodatage compensés.
  10. 10. Système (1) comprenant une pluralité de bornes d'horodatage (20-1, 20-2, 20-3, 20-4 ; A, B, C) selon la revendication 8 et au moins un serveur de géolocalisation (30) selon la revendication 9.
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