FR3095049A1 - Dispositif de localisation d’un mobile - Google Patents

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Abstract

Dispositif (1) de localisation d’un mobile, tel une personne, comprenant un ensemble récepteur (2) comportant une antenne (3) et un récepteur (4) apte à coopérer avec une constellation de satellites, telle une constellation Gps, où le dispositif (1) comprend encore au moins un autre ensemble récepteur (2) et un centralisateur (5) apte à réaliser une fusion des données issues desdits au moins deux ensembles récepteur (2) pour produire une position du mobile. Figure d’abrégé : Figure 1

Description

Dispositif de localisation d’un mobile
L’invention concerne le domaine des dispositifs de localisation d’un mobile, du type comprenant une antenne et un récepteur, apte à coopérer avec une constellation de satellites. Plus particulièrement, l’invention adresse les problèmes de la précision et de la disponibilité d’une mesure de position en temps réel dans le cas où le mobile est une personne, par exemple un sportif ou un animal, par exemple un animal de course.
Il est connu divers dispositifs de localisation comprenant une antenne et un récepteur apte à coopérer avec au moins une constellation de satellites. Les satellites orbitent autour de la terre et émettent périodiquement des signaux radiofréquence. La connaissance de la position des satellites et la mesure du temps de vol de ces signaux permet à un récepteur de trianguler sa position.
Il est connu une constellation Gps (américaine : global positioning system), une constellation Glonass (russe), une constellation BeiDou (chinoise) et une constellation Galiléo (européenne). Toute constellation développée dans le futur sera compatible et donc utilisable par le dispositif.
Pour les récepteurs, il est possible de distinguer au moins deux gammes. Une gamme moyenne ou basique, utilisant la technologie de base, associée aux corrections SBAS envoyées par certains satellites, est précise à 2-5m, avec une disponibilité temporelle de 99,9%. La technologie permet aujourd’hui de réaliser un tel récepteur dans un volume très réduit : une puce de 10 x 10 mm, pour un poids de l’ordre de 50g, batterie et électronique de support comprises.
Une gamme haute précision, utilise des corrections (RTK, DGPS) lui permettant d’améliorer la précision à quelques centimètres (RTK) ou à 0,5-1m (DGPS), au détriment de la disponibilité temporelle qui se réduit de 70% à 80%. L’encombrement augmente aussi, avec un poids de l’ordre de 250g, dans une présentation monobloc.
Pour une application embarquée sur un individu : une personne, tel un sportif ou un animal, tel un cheval ou un chien, évoluant sur un terrain de jeu, un hypodrome, un cynodrome, etc., visant à obtenir sa position en temps réel, la disponibilité temporelle trop faible d’un récepteur haute précision est rédhibitoire. De plus l’encombrement et le poids nettement augmentés compromettent son port sans gêne par ledit individu et/ou son intégration dans une pièce de textile (maillot de sportif, harnais d’animal de course). Cependant il est souhaitable de disposer d’une précision améliorée relativement à celle d’un récepteur moyenne gamme, avec une haute disponibilité temporelle tout en conservant un encombrement et un poids limité afin de garantir sa portabilité.
Pour résoudre les problèmes cités précédemment, la présente invention propose de multiplier des ensembles récepteur comprenant chacun un récepteur et une antenne, avantageusement de moyenne gamme, et d’augmenter, tant la précision que la disponibilité temporelle, par fusion des données multiples ainsi obtenues.
Pour cela l’invention a pour objet un dispositif de localisation d’un mobile, tel une personne ou un animal, comprenant un ensemble récepteur comportant une antenne et un récepteur apte à coopérer avec une constellation de satellites, telle une constellation Gps, où le dispositif comprend encore au moins un autre ensemble récepteur et un centralisateur apte à réaliser une fusion des données issues desdits au moins deux ensembles récepteur pour produire une position du mobile.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
lesdits au moins deux ensembles récepteur sont de moyenne gamme,
la fusion reçoit une position élémentaire pour chacun desdits au moins deux ensembles récepteur et détermine une position compilée du mobile par moyennage des positions élémentaires, le moyennage étant réalisé par une moyenne, une moyenne robuste et/ou pondérée, une médiane ou une médiane robuste,
une position élémentaire est pondérée dans une moyenne pondérée, ou supprimée dans une moyenne ou médiane robuste, en fonction de son indicateur de précision estimée, ledit indicateur de précision estimée étant déterminé à partir d’informations fournies par le récepteur,
une position élémentaire est supprimée si elle présente un indicateur de précision estimée parmi les X% les plus dégradés, avec X compris entre 0 et 30, préférentiellement égal à 10,
le dispositif est encore apte à recevoir et à traiter des données correctives issues d’une base corrective, les données correctives étant appliquées par chaque récepteur avant détermination de la position élémentaire,
la fusion reçoit les pseudodistances pour chacun desdits au moins deux ensembles récepteur et détermine une position compilée du mobile par traitement de ces pseudodistances, appliquant un algorithme classique des récepteurs satellites, du type triangulation des moindres carrés et comprend des correctifs classiques : modèle de géoïde terrestre, modèle de rotation terrestre, modèle d’ionosphère, modèle de troposphère et modèle d’éphéméride,
une pseudodistance est pondérée dans le traitement ou supprimée en fonction de son indicateur de précision estimée, ledit indicateur de précision estimée étant déterminé à partir d’informations fournies par le récepteur,
une pseudodistance est supprimée si elle présente un indicateur de précision estimée parmi les X% les plus dégradés, avec X compris entre 0 et 30, préférentiellement égal à 10,
le dispositif est encore apte à recevoir et à traiter des données correctives issues d’une base corrective, les données correctives étant appliquées par le traitement,
les antennes desdits au moins deux ensembles récepteurs sont disposées en différents points du mobile, et préférentiellement selon des orientations différentes afin d’augmenter les probabilités de bonne réception des signaux satellites,
tout ou partie des ensembles récepteur sont intégrés dans un textile, tel un vêtement, afin de pouvoir être portés par un mobile,
la fusion reçoit encore des données inertielles, prises en compte pour déterminer la position compilée, au moyen d’un filtre prédictif, préférentiellement un filtre de Kalman, un filtre de Kalman sans parfum, un filtre de Kalman étendu, un filtre particulaire, un filtre de Monte Carlo ou un filtre des moindres carrés.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :
représente un dispositif selon l’invention, communiquant avec une unité de traitement,
représente un dispositif selon l’invention, dans son environnement satellitaire,
représente un synoptique de la fusion
représente un exemple d’intégration du dispositif dans un maillot textile.
En référence à la figure 1, un dispositif 1 de localisation d’un mobile (non représenté), tel une personne ou un animal, comprend au moins deux ensembles récepteur 2 comportant chacun une antenne 3 et un récepteur 4. Chaque ensemble récepteur 2 est apte à coopérer avec une constellation de satellites 8, telle une constellation Gps, Glonass, BeiDou, Galileo ou autre équivalente. Le dispositif 1 comprend encore un centralisateur 5 apte à réaliser une fusion des données issues desdits au moins deux ensembles récepteur 2 pour déterminer une position du mobile. A cette fin, le centralisateur 5 est connecté à chacun des ensembles récepteur 2.
Selon un mode de réalisation le centralisateur 5, embarqué sur le mobile, communique via un moyen de transmission 6 avec une unité de traitement 7, préférentiellement débarquée. La fusion des données peut être indifféremment réalisée par le centralisateur 5, par l’unité de traitement 7 ou encore par une combinaison des deux. Le moyen de fusion comprend alors le centralisateur 5 et/ou l’unité de traitement 7. Afin de simplifier, dans la suite on désigne par centralisateur 5 ledit moyen de fusion 5, 6, 7.
Avantageusement, lesdits au moins deux ensembles récepteur 2 sont de moyenne gamme. Ceci permet de conserver un encombrement et un poids permettant une intégration dans une personne ou dans un harnais ou vêtement porté par cette personne qui conservent une bonne ergonomie de manière à ne pas gêner, ou le moins possible, la personne dans ses mouvements.
On entend par ensemble récepteur 2 moyenne gamme un ensemble récepteur 2 comprenant un récepteur 4 standard. Un tel récepteur 4, selon la technologie actuelle, permet typiquement d’atteindre une précision de 2-5m, avec une disponibilité temporelle de 99,9% et ce dans un encombrement très réduit (quelques dizaines de mm d’étendue surfacique, sensiblement plat) et pour un poids de l’ordre de 50g. Ce type de récepteur 4 est identique à ceux utilisés dans de petits équipements portatifs tels que les montres Gps.
Au contraire un récepteur haut de gamme offre une précision de l’ordre de 25 cm, mais une disponibilité temporelle de seulement 70 ou 80% et présente un encombrement nettement plus important et un poids de l’ordre de 250g.
Un avantage à utiliser une pluralité de « petits » récepteurs 4 plutôt qu’un unique récepteur monobloc, est une facilité d’intégration. En effet à poids constant, il est plus simple d’intégrer, sur une personne ou son vêtement, plusieurs, par exemple cinq, petits ensembles récepteur 2 en différents points, plutôt qu’un gros récepteur monobloc concentrant tant le volume que le poids en un seul endroit.
Tel qu’illustré à la figure 3, un moyen de fusion ou centralisateur 5 fonctionne en recevant des données Pe/PD issues des différents récepteurs 4. Ces données Pe/PD sont assorties d’indicateurs de qualité ou indicateurs de précision estimée IQ. Optionnellement il peut encore recevoir des données correctives Co. Optionnellement il peut encore recevoir des données inertielles In. Le moyen de fusion 5 traite tout cela pour produire une position compilée Pc du mobile.
La fusion peut s’effectuer à au moins deux niveaux, déterminés en fonction des données reçues. Selon un premier niveau ou mode 1, les données reçues sont des positions élémentaires Pe. Dans ce cas, chaque récepteur 4 fonctionne de manière classique et produit une position élémentaire Pe. Cette position élémentaire, une par ensemble récepteur 2 est fournie en entrée du moyen de fusion 5. Le moyen de fusion 5 détermine, à partir de ces positions élémentaires Pe, une position compilée Pc du mobile. Cette détermination s’effectue, par exemple par moyennage des positions élémentaires Pe. Ce moyennage peut être réalisé par une moyenne simple, une moyenne robuste, une moyenne pondérée, une moyenne robuste et pondérée, une médiane ou une médiane robuste.
Pour une moyenne pondérée, chaque position élémentaire Pe est pondérée proportionnellement à un indicateur de précision estimée IQ associé. Ledit indicateur de précision estimée IQ est fourni, conjointement à la position élémentaire Pe, par le récepteur 4 ou est déterminé à partir d’informations fournies par le récepteur 4. Parmi ces informations on trouve : hdop, pdop, nombre de satellites, rapport signal à bruit, niveau de clarté de la phase du signal et l’azimut/angle d’incidence du signal satellite. Concernant ce dernier paramètre, un signal est considéré d’autant plus utile pour le calcul d’une position qu’il arrive d’une direction proche d’une verticale à la surface terrestre
Il est encore possible de retirer avant moyennage, les positions élémentaires Pe les plus dégradées. On parle alors de moyenne ou de médiane robuste. Pour cela, une position élémentaire Pe peut être supprimée si elle présente un indicateur de précision estimée IQ parmi les X% les plus dégradés. X est avantageusement configurable avec une valeur X comprise entre 0 et 30. Selon un mode de réalisation préférentiel, X est égal à 10.
Selon une autre caractéristique de l’invention, il est possible de corriger les mesures de position. Pour cela de manière connue, selon le principe RTK, DGPS ou SBAS, il est utilisé une base corrective 9 connaissant avec précision sa position et apte à produire des données correctives Co. Une telle base corrective 9 peut être un satellite supplémentaire ou encore une balise terrestre. Telle qu’illustrée à la figure 2, une unique base corrective 9 peut être employée par différents dispositifs 1, au même titre que la ou les constellations de satellites 8. Les données correctives Co sont transmises par une liaison 10 dédiée.
Dans le cas de la fusion mode 1, chaque récepteur 4 calcule lui-même sa position Pe. Aussi les données correctives Co sont transmises, directement ou via le centralisateur 5, à chaque récepteur 4, qui les utilise lors de la détermination de sa position élémentaire Pe. La suite est la même, avec avantageusement une précision augmentée des positions élémentaires Pe.
Selon un deuxième niveau ou mode 2, les données reçues sont des pseudodistances PD. Une pseudodistance (ou pseudorange en anglais) est une mesure de temps de vol d’un signal satellite, homogène à une distance. Il s’agit d’une donnée de base du calcul de la position. Il est ainsi possible de récupérer les pseudodistances « brutes » auprès d’un récepteur 4 avant même le calcul de la position par ce dernier. Dans ce cas, la fusion reçoit les pseudodistances PD pour chacun desdits au moins deux ensembles récepteur 2. La détermination de la position compilée Pc du mobile nécessite alors un traitement des pseudodistances PD. Ce traitement applique un algorithme similaire à celui des récepteurs d’un système satellites, tel un système Gps, du type triangulation des moindres carrés. Ce traitement peut avantageusement comprendre des correctifs classiques : modèle de géoïde terrestre, modèle de rotation terrestre, modèle d’ionosphère, modèle de troposphère et modèle d’éphéméride.
Ce traitement se différencie de l’algorithme appliqué classiquement par un récepteur 4, par le nombre augmenté des pseudodistances PD reçues et leur possible redondance, un même satellite 8 pouvant être vu simultanément par plusieurs ensembles récepteur 2. Cette redondance crée une surabondance de données qui peut être mise à profit pour améliorer la précision du résultat : la position compilée Pc. Ceci peut être réalisé par pondération, un poids plus important étant attribué à une pseudodistance jugée plus fiable. Ceci peut encore, alternativement ou complémentairement être réalisé, par robustification, en supprimant des pseudodistances parmi celles jugées les moins fiables.
Ainsi une diversité redondante des ensembles récepteur 2 permet d’obtenir plus de données. Statistiquement, les données d’un ensemble récepteur 2 sont meilleures au moins à un instant donné, parce que, en fonction de la position et/ou de l’orientation du mobile, ledit ensemble récepteur 2 voit mieux un satellite 8 donné. Aussi la diversité redondante des ensembles récepteur 2 permet d’améliorer la précision des mesures issues d’au moins ensemble récepteur 2 et donc la précision finale du résultat, après pondération ou robustification.
Que ce soit pour la pondération ou pour la robustification, il est avantageusement utilisé un indicateur de précision estimée IQ. Un tel indicateur de précision estimée IQ est attribué à chaque pseudodistance PD et est déterminé à partir d’informations fournies par le récepteur 4. Il est fourni par chaque récepteur 4, conjointement avec la pseudodistance PD.
Il peut avantageusement être déterminé à l’identique de l’indicateur de précision estimée décrit précédemment pour les positions élémentaires Pe.
Selon un mode de réalisation, il est fonction d’un rapport signal à bruit (SNR), de la clarté de la phase du signal, et de l’azimut/angle d’incidence du signal satellite. Un signal est considéré d’autant plus utile pour le calcul d’une position qu’il arrive d’une direction proche d’une verticale à la surface terrestre.
Il est encore possible de retirer avant moyennage, les pseudodistances PD les plus dégradées/les moins fiables. On parle alors de moyenne ou de médiane robuste. Pour cela, une pseudodistance PD est supprimée si elle présente un indicateur de précision estimée IQ parmi les X% les plus dégradés. X est avantageusement configurable avec une valeur X comprise entre 0 et 30. Selon un mode de réalisation préférentiel, X est égal à 10.
Selon une autre caractéristique de l’invention, il est possible de corriger les mesures de position. Pour cela de manière connue, selon le principe RTK, DGPS ou SBAS, il est utilisé une base corrective 9 connaissant avec précision sa position et apte à produire des données correctives Co. Une telle base corrective 9 peut être un satellite supplémentaire ou encore une balise terrestre. Dans le cas de la fusion mode 2, le centralisateur 5 assure le calcul de la position compilée Pc à partir des pseudodistances PD. Aussi les données correctives Co sont transmises au centralisateur 5 qui les utilise pour son traitement réalisant la détermination de la position compilée Pc.
Selon une autre caractéristique, les antennes 3 desdits au moins deux ensembles récepteurs 2 sont disposées en différents points du mobile, et préférentiellement selon des orientations différentes afin d’augmenter les probabilités qu’au moins un des récepteurs obtienne une bonne réception des signaux satellites. Ceci confère la diversité redondante et ses avantages précédemment décrits.
En référence à la figure 4, est illustré en vue de face et en vue de dos, un maillot 11, endossable par un sportif qui constitue le mobile. Ce maillot 11 comporte ici huit ensembles récepteur 2. Le centralisateur 5 est ici placé au milieu du dos. Les ensembles récepteur 2 sont répartis sur les épaules/haut du dos afin de favoriser la réception satellite en position debout. Quatre ensembles récepteur 2 sont disposés sur l’avant et quatre ensembles récepteur 2 sont disposés sur l’arrière. Ainsi lorsque le sportif portant le maillot 11 est plutôt dos regardant le ciel, les ensembles récepteur 2 arrière ont plus de chance de mieux voir les satellites 8 et de fournir des données Pe, PD de meilleure qualité ou fiabilité. Au contraire les ensembles récepteur 2 avant risquent plus d’être masqués par le sportif lui-même. Le contraire devient vrai lorsque le sportif portant le maillot est plutôt face regardant le ciel. La position / orientation du sportif relativement au ciel évoluant au cours du temps, modifie cette configuration, justifiant l’intérêt de la diversité redondante d’ensembles récepteur 2, et des moyens de choix des données les plus fiables par pondération ou robustification lors de la fusion.
Selon une autre caractéristique, tout ou partie des ensembles récepteur 2 sont intégrés dans un textile, tel un vêtement, afin de pouvoir être portés par un mobile. Ce textile peut être un maillot 11, tel que celui illustré à la figure 4 ou une pièce de harnais pour un animal de course. Ici la multiplicité des ensembles récepteur 2, de type moyenne gamme leur conférant une bonne miniaturisation, permet de faciliter l’intégration dans un textile en ce que le dispositif 1 est constitué de plusieurs composants de taille réduite plutôt que d’un composant monobloc plus encombrant. Tant les composants que les fils de connexion entre eux sont intégrés de manière souple et transparente dans le textile. Une telle intégration dans un textile confère une ergonomie et un confort de port du dispositif 1 par une personne qui n’est pas plus gênée que lors du port d’un maillot classique, non équipé du dispositif 1.
Il peut avantageusement être ajouté au dispositif 1, au moins un capteur inertiel (centrale inertielle, accéléromètres, gyromètres, …) afin de produire des données inertielles In. Ces données inertielles sont avantageusement fusionnées avec la position compilée Pc au moyen d’un filtre prédictif. Un tel filtre prédictif peut être quelconque. A titre d’exemple il peut s’agir d’un filtre de Kalman, d’un filtre de Kalman sans parfum, d’un filtre de Kalman étendu, d’un filtre particulaire, d’un filtre de Monte Carlo ou d’un filtre des moindres carrés.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention a cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.
1 : dispositif,
2 : ensemble récepteur,
3 : antenne,
4 : récepteur,
5 : centralisateur,
6 : liaison,
7 : unité de traitement,
8 : satellite,
9 : base corrective,
10 : liaison de correction,
11 : maillot,
Pe : position élémentaire,
Pc : position compilée,
PD : pseudodistance,
IQ : indicateur de précision estimée,
Co : donnée corrective,
In : donnée inertielle.

Claims (13)

  1. Dispositif (1) de localisation d’un mobile, tel une personne ou un animal, comprenant un ensemble récepteur (2) comportant une antenne (3) et un récepteur (4) apte à coopérer avec une constellation de satellites, telle une constellation Gps, caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend encore au moins un autre ensemble récepteur (2) et un centralisateur (5) apte à réaliser une fusion des données (Pe, PD, IQ, Co, In) issues desdits au moins deux ensembles récepteur (2) pour produire une position (Pc) du mobile.
  2. Dispositif (1) selon la revendication 1, où lesdits au moins deux ensembles récepteur (2) sont de moyenne gamme.
  3. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, où la fusion reçoit une position élémentaire (Pe) pour chacun desdits au moins deux ensembles récepteur (2) et détermine une position compilée (Pc) du mobile par moyennage des positions élémentaires (Pe), le moyennage étant réalisé par une moyenne, une moyenne robuste et/ou pondérée, une médiane ou une médiane robuste.
  4. Dispositif (1) selon la revendication 3, où une position élémentaire (Pe) est pondérée dans une moyenne pondérée, ou supprimée dans une moyenne ou médiane robuste, en fonction de son indicateur de précision estimée (IQ), ledit indicateur de précision estimée étant déterminé à partir d’informations fournies par le récepteur (4).
  5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, où une position élémentaire (Pe) est supprimée si elle présente un indicateur de précision estimée (IQ) parmi les X% les plus dégradés, avec X compris entre 0 et 30, préférentiellement égal à 10.
  6. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, encore apte à recevoir et à traiter des données correctives (Co) issues d’une base corrective (9), les données correctives (Co) étant appliquées par chaque récepteur (4) avant détermination de la position élémentaire (Pe).
  7. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, où la fusion reçoit les pseudodistances (PD) pour chacun desdits au moins deux ensembles récepteur (2) et détermine une position compilée (Pc) du mobile par traitement de ces pseudodistances (PD), appliquant un algorithme classique des récepteurs satellites, du type triangulation des moindres carrés et comprend des correctifs classiques : modèle de géoïde terrestre, modèle de rotation terrestre, modèle d’ionosphère, modèle de troposphère et modèle d’éphéméride.
  8. Dispositif (1) selon la revendication 7, où une pseudodistance (PD) est pondérée dans le traitement ou supprimée en fonction de son indicateur de précision estimée (IQ), ledit indicateur de précision estimée (IQ) étant déterminé à partir d’informations fournies par le récepteur (4).
  9. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 7 ou 8, où une pseudodistance (PD) est supprimée si elle présente un indicateur de précision estimée (IQ) parmi les X% les plus dégradés, avec X compris entre 0 et 30, préférentiellement égal à 10.
  10. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, encore apte à recevoir et à traiter des données correctives (Co) issues d’une base corrective (9), les données correctives (Co) étant appliquées par le traitement.
  11. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, où les antennes (3) desdits au moins deux ensembles récepteurs (2) sont disposées en différents points du mobile, et préférentiellement selon des orientations différentes afin d’augmenter les probabilités de bonne réception des signaux satellites.
  12. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, où tout ou partie des ensembles récepteur (2) sont intégrés dans un textile, tel un vêtement, afin de pouvoir être portés par un mobile.
  13. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, où la fusion reçoit encore des données inertielles (In), prises en compte pour déterminer la position compilée (Pc), au moyen d’un filtre prédictif, préférentiellement un filtre de Kalman, un filtre de Kalman sans parfum, un filtre de Kalman étendu, un filtre particulaire, un filtre de Monte Carlo ou un filtre des moindres carrés.
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