WO2016162341A1 - Procédé de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes - Google Patents

Procédé de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes Download PDF

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WO2016162341A1
WO2016162341A1 PCT/EP2016/057453 EP2016057453W WO2016162341A1 WO 2016162341 A1 WO2016162341 A1 WO 2016162341A1 EP 2016057453 W EP2016057453 W EP 2016057453W WO 2016162341 A1 WO2016162341 A1 WO 2016162341A1
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WO
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antennas
beacon
mobile terminal
pulses
orthogonal
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PCT/EP2016/057453
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Alain Chiodini
Jacques Lourdou
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Safran Electronics & Defense Sas
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B17/00Monitoring; Testing
    • H04B17/20Monitoring; Testing of receivers
    • H04B17/27Monitoring; Testing of receivers for locating or positioning the transmitter
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/02Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using radio waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/14Determining absolute distances from a plurality of spaced points of known location
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B7/00Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413MIMO systems

Definitions

  • a method of determining the distance between a mobile terminal having a plurality of antennas and a beacon having a plurality of antennas is a method of determining the distance between a mobile terminal having a plurality of antennas and a beacon having a plurality of antennas.
  • the present invention relates to a method and a device for determining the distance between a mobile terminal comprising a plurality of antennas and a beacon comprising a plurality of antennas.
  • Ultra-wide band signals are increasingly used in the context of indoor mobile-device-based geolocation systems.
  • An ultra broadband signal is a very short radio pulse, whose duration varies from a few tens to a few hundred picoseconds.
  • Ultra-wide band pulses are usually transmitted in periodic bursts.
  • Ultra-wide band pulses are less sensitive to multipath phenomena than traditional modulated signals used by mobile terminals and allow precise measurement of distances due to their short duration.
  • a mobile terminal can determine its position simply by estimating the distances separating it from the fixed beacons whose positions are known to the mobile terminal. The distances are measured by measuring the propagation times ultra-broadband pulses exchanged between the mobile terminal and the fixed beacons located within radio range of the mobile terminal. The mobile terminals emit at least one ultra-wideband pulse and the fixed beacons in response transmit at least one ultra wideband pulse and their position.
  • the fixed beacons periodically transmit their position. The mobile terminal is then able to obtain its position for example by minimizing in the least squares sense a cost function integrating the estimated distances and the positions of the fixed beacons.
  • the main difficulty of this method lies in measuring the propagation time. For example, if the detection of received ultra-wideband pulses is performed using inter-correlations, it is important to correctly identify, in the impulse response of the transmission channel, the position of the first peak corresponding to the path shorter.
  • the amplitudes of the pulses received are often low because of the obstacles traversed such as walls, partitions, glazings, and it happens that the amplitude of the pulse ultra wideband of the shortest path is less than that of amplitudes of the ultra-broadband pulses of the multipaths.
  • An error in the location of the broadband pulse corresponding to the shortest path results in an error in determining the position of the mobile terminal.
  • the object of the present invention is to solve the disadvantages of the prior art by proposing a method and a device which make it possible to better determine the distance between a beacon and a mobile terminal from a determination of the corresponding broadband pulse. the shortest route more reliable than in the solutions currently proposed.
  • the invention proposes a method for determining the distance between a mobile terminal comprising a plurality of antennas and a beacon comprising a plurality of antennas, characterized in that the method comprises the steps of :
  • each antenna of the mobile terminal of at least one broadband pulse, the pulses emitted by the antennas being orthogonal two by two,
  • the present invention also relates to a device for determining the distance between a mobile terminal comprising a plurality of antennas and a beacon comprising a plurality of antennas, characterized in that the determination device comprises:
  • each antenna of the mobile terminal at least one broadband pulse, the pulses emitted by the antennas being orthogonal two by two,
  • the present invention allows a better determination of the distance between a beacon and a mobile terminal and allows the determination of the broadband pulse corresponding to the shortest path in a more reliable way than in the solutions currently proposed.
  • each ultra broadband pulse of index n is represented by the following formula:
  • Polynomial degree is a coefficient of
  • the present invention using a Gaussian function, takes advantage of the fact that the values of the successive integrals are known.
  • the implementation of the present invention is thus simplified.
  • the coefficients of the polynomials are obtained iteratively by firstly determining the coefficient of the polynomial of the smallest degree, then by successively determining the coefficients of the polynomials of higher degree.
  • the two-by-two received orthogonal ultra-wideband pulses are part of the set of orthogonal two-to-two pulses comprising and wherein:
  • K is a normalization coefficient and ⁇ is the standard deviation of a Gaussian
  • the method further comprises the step of receiving the position of the beacon.
  • ultra-wideband pulses and positions are received from a plurality of beacons and the distance between the mobile terminal and each beacon is determined to determine the position of the mobile terminal.
  • the invention also relates to a method for transferring ultra wideband pulses by a beacon for determining the distance between a mobile terminal comprising a plurality of antennas and the beacon comprising a plurality of antennas, characterized in that the method includes the steps of:
  • the invention also relates to a beacon transmitting ultra wideband pulses for determining the distance between a mobile terminal comprising a plurality of antennas and the beacon comprising a plurality of antennas, characterized in that the beacon comprises:
  • each antenna of the beacon at least one broadband pulse, the pulses emitted by the antennas being orthogonal two by two.
  • the invention also relates to computer programs stored on an information medium, said programs comprising instructions for implementing the methods described above, when they are loaded and executed by a computer system.
  • FIG. 1 shows a mobile terminal location system using ultra wideband pulses in which the present invention is implemented;
  • FIG. 2 represents an ultra broadband beacon according to the present invention;
  • FIG. 3 represents an ultra wideband mobile terminal according to the present invention;
  • Figs. 4 show examples of orthogonal ultra-wideband pulses in pairs used in the present invention
  • FIG. 5 shows an example of a channel response between a beacon and a mobile terminal
  • FIG. 6 shows an algorithm for transmitting a plurality of ultra broadband pulses according to the present invention
  • FIG. 7 shows an algorithm for determining the position of a mobile terminal from a plurality of received ultra wideband pulses according to the present invention.
  • Fig. 1 shows a mobile terminal location system using ultra wideband pulses in which the present invention is implemented.
  • the positioning system of a mobile terminal using ultra wideband pulses shown in FIG. 1 comprises a plurality of beacons 10 and a mobile terminal 20.
  • Each tag 10a, 10b, 10c and 10d comprises a plurality of antennas.
  • the beacon 10a has N antennas denoted AntaAl at AntaAN
  • the beacon 10b has N antennas denoted AntbAl at AntbAN
  • the beacon 10c has N antennas denoted AntcAl at AntcAN
  • the beacon 10d has N antennas denoted AntdAl at AntdAN.
  • the tags are for example fixed and arranged in a building.
  • the mobile terminal 20 has N antennas marked AntBl to AntBN.
  • Each tag 10 emits at least one ultra-wideband pulse on each of its antennas.
  • the transmission channel consists of a direct path noted for example index 0 and K indirect paths (from indices 1 to K).
  • AntaAl antennas at AntaA2 are as follows:
  • x and y designate two orthogonal ultra wide band pulses two by two complex unit coefficients, that is to say of module equal to is the signal emitted by the antenna is the signal emitted by
  • the signals received by the two antennas AntB1 to AntB2 of the mobile terminal 20 are as follows:
  • the mobile terminal 20 correlates the two received signals with two local replicas of the ultra-wideband pulses sent.
  • the mobile terminal 20 has four correlators running in parallel. The outputs of correlators give:
  • the power of the correlation peak associated with the shortest path is given by:
  • the peak associated with the shortest path is characterized by the following signal-to-noise ratio:
  • the power of the correlation peak associated with the short path is given by:
  • the inventors have determined that the average gain obtained for two antennas is 13 dB if the random variables involved follow conventional probability laws, that is to say uniform and Gaussian.
  • beacons 10 and the mobile terminal 20 respectively comprise two antennas can be generalized in the following manner to N antennas.
  • the signals emitted by the N antennas of the beacon 10 are as follows:
  • Fig. 2 represents an ultra broadband beacon according to the present invention.
  • Tag 10 includes:
  • processor a processor, microprocessor, or microcontroller 200
  • non-volatile memory 202 a non-volatile memory 202
  • a medium storage reader 204 such as a SD (Secure Digital Card) card reader;
  • a radio interface 205 comprising at least two antennas
  • a communication bus 201 connecting the processor 200 to the ROM 202, to the RAM 203, to the storage medium reader 204 and to the radio interface 205.
  • the processor 200 is capable of executing instructions loaded into the volatile memory 203 from the nonvolatile memory 202, an external memory (not shown), a storage medium, such as an SD card or other , or a communication network.
  • processor 200 is capable of reading volatile memory 203 from instructions and executing them. These instructions form a computer program which causes the processor 200 to implement all or part of the method described in connection with FIG. 6.
  • All or part of the process described in connection with FIG. 6 can be implemented in software form by executing a set of instructions by a programmable machine, such as a DSP (Digital Signal Processor in English or a Digital Signal Processing Unit in French) or a microcontroller, or be implemented in the form of a set of instructions.
  • a programmable machine such as a DSP (Digital Signal Processor in English or a Digital Signal Processing Unit in French) or a microcontroller, or be implemented in the form of a set of instructions.
  • hardware or a dedicated component such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). Application in French).
  • the radio interface 205 comprises at least two antennas placed on non-parallel faces.
  • the antennas are for example dipole antennas or monopole or patch.
  • Fig. 3 shows an ultra wideband radio mobile terminal according to the present invention.
  • the mobile terminal 20 comprises:
  • processor a processor, microprocessor, or microcontroller 300;
  • a medium storage drive 304 such as a SD card reader (Secure Digital Card in English or French Secured Digital Card);
  • a radio interface 305 comprising at least two antennas
  • a communication bus 301 connecting the processor 300 to the ROM 302, the RAM 303, the storage medium reader 304 and the radio interface 305.
  • the processor 300 is capable of executing instructions loaded into the volatile memory 303 from the non-volatile memory 302, an external memory (not shown), a storage medium, such as an SD card or other , or a communication network.
  • the processor 300 is capable of reading volatile memory 303 from the instructions and executing them.
  • These instructions form a computer program which causes the processor 300 to implement all or part of the method described in connection with FIG. 7.
  • All or part of the process described in connection with FIG. 7 can be implemented in software form by executing a set of instructions by a programmable machine, such as a DSP (Digital Signal Processor in English or a Digital Signal Processing Unit in French) or a microcontroller, or be implemented in the form of a set of instructions.
  • a programmable machine such as a DSP (Digital Signal Processor in English or a Digital Signal Processing Unit in French) or a microcontroller, or be implemented in the form of a set of instructions.
  • hardware or a dedicated component such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). Application in French).
  • the radio interface 205 comprises at least two antennas placed on non-parallel faces.
  • the antennas are for example dipole antennas or monopole or patch.
  • Figs. 4 are examples of orthogonal ultra-wideband pulses in pairs used in the present invention.
  • an ultra broadband pulse is a short signal consisting of at least one half-period of sinusoid multiplied by a weighting signal.
  • Fig. 4a represents an ultra wide band pulse a (t) which has for equation:
  • K is a normalization coefficient
  • is the standard deviation of a Gaussian between 10 ⁇ 10 and 10 ⁇ 9 s.
  • Fig. 4b represents an ultra wideband pulse ⁇ (t) which has for equation:
  • Fig. 4c represents an ultra wideband pulse y (t) which has for equation:
  • an ultra broadband pulse of index n can be represented by the following formula:
  • Degree Polynomial is a coefficient of the polynomial of degree n, k is an integer, n is the index of the ultra wideband pulse and t is the time,
  • the scalar product S mn of two ultra wide band pulses is:
  • V n the following integral:
  • the coefficients of the polynomials necessary for the generation of ultra wideband pulses can thus be determined.
  • Fig. 5 shows an example of a channel response between a beacon and a mobile terminal.
  • the abscissa axis represents the propagation delay of a pulse according to different paths transmitted by a beacon 10 and received by a mobile terminal 20.
  • the ordinate axis represents the amplitude of a pulse for different paths and received by a mobile terminal 20.
  • the peak noted 50 is the amplitude of the pulse received by the mobile terminal 20 in the shortest path.
  • the peak noted 51 is the amplitude of the pulse received by the mobile terminal 20 along a path different from the shortest path.
  • the peak corresponding to the shortest path is the first peak that can be distinguished, that is to say the first peak whose amplitude exceeds a predetermined threshold whose value is calculated as a function of the signal-to-noise ratio.
  • the amplitude of the peaks corresponding to the multipaths generally exceeds that of the corresponding peak. to the shortest path due to the attenuation of the wave as it passes through one or more obstacles.
  • Fig. 6 shows an algorithm for transmitting a plurality of ultra wideband pulses according to the present invention.
  • the present algorithm is executed by the processor 200 of each tag 10.
  • step E60 the processor 200 detects the reception by the radio interface 205 of an ultra broadband pulse transmitted by a mobile terminal 20.
  • the processor 200 controls the transmission of at least one ultra wideband pulse by each antenna of the beacon.
  • the antennas are placed on non-parallel planes of the beacon
  • the ultrafast pulses transmitted are, according to the present invention, orthogonal two by two.
  • the processor 200 controls the transfer of the position of the beacon via the radio interface 205.
  • Fig. 7 shows an algorithm for determining the position of a mobile terminal from a plurality of received ultra wideband pulses according to the present invention.
  • the present algorithm is executed by the processor 300 of the mobile terminal 20.
  • step E70 the processor 300 controls the transmission of at least one ultra wideband pulse by each antenna of the mobile terminal 20.
  • step E71 the processor 300 detects the reception by each of its antennas and by the radio interface 305 of an ultra wideband pulse transmitted by a mobile terminal 20.
  • the processor 300 controls the radio interface 305 to correlate the received signals with local replicas of the sent pulses.
  • the radio module has two antennas and two ultra wideband pulses are received, four correlations are executed.
  • the processor 300 identifies the shortest delay from the correlations made.
  • the processor 300 detects the reception of the position of the beacon having sent the broadband pulses received in the step E71. From at least two received beacon positions and ultra wideband pulses transmitted by two beacons, the processor 300 determines the position of the mobile terminal.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes. Le procédé comporte les étapes de : - émission (E70) par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux, - réception (E71) par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues par les antennes étant orthogonales deux à deux, - corrélation (E72) des impulsions reçues avec des impulsions large bande prédéterminées, - détermination (E73) du trajet le plus court entre le terminal mobile et la balise à partir du résultat des corrélations, - détermination (E74) de la distance entre le terminal mobile et la balise à partir du trajet le plus court déterminé.

Description

Procédé de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes.
Les signaux Ultra Large Bande sont de plus en plus utilisés dans le cadre de systèmes de géolocalisation de terminaux mobiles évoluant en milieu intérieur.
Un signal ultra large bande est une impulsion radioélectrique très brève, dont la durée varie de quelques dizaines à quelques centaines de picosecondes. Les impulsions ultra large bande sont généralement émises en salves périodiques.
Les impulsions ultra large bande sont moins sensibles aux phénomènes de trajets multiples que les signaux modulés traditionnels utilisés par les terminaux mobiles et permettent la mesure précise de distances en raison de la brièveté de leur durée.
Dans un système composé de balises fixes transmettant des impulsions ultra large bande, un terminal mobile peut déterminer sa position simplement en estimant les distances le séparant des balises fixes dont les positions sont connues du terminal mobile. La mesure des distances est effectuée en mesurant les durées de propagation des impulsions ultra large bande échangées entre le terminal mobile et les balises fixes situées à portée radio du terminal mobile. Les terminaux mobiles émettent au moins une impulsion ultra large bande et les balises fixes émettent, en réponse, au moins une impulsion ultra large bande ainsi que leur position. En variante les balises fixes émettent périodiquement leur position. Le terminal mobile est alors en mesure d'obtenir sa position par exemple en minimisant au sens des moindres carrés une fonction de coût intégrant les distances estimées et les positions des balises fixes.
La principale difficulté de cette méthode réside dans la mesure du temps de propagation. Par exemple si la détection des impulsions ultra large bande reçues est effectuée à l'aide d'inter-corrélations, il est important d'identifier correctement, dans la réponse impulsionnelle du canal de transmission, la position du premier pic qui correspond au trajet le plus court.
Or, les amplitudes des impulsions reçues sont souvent faibles en raison des obstacles traversés tels que les murs, les cloisons, les vitrages, et il arrive que l'amplitude de l'impulsion ultra large bande du trajet le plus court soit inférieure à celle des amplitudes des impulsions ultra large bande des trajets multiples.
Une erreur sur la localisation de l'impulsion large bande correspondant au trajet le plus court entraîne une erreur sur la détermination de la position du terminal mobile.
La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé et un dispositif qui permettent une meilleure détermination de la distance entre une balise et un terminal mobile à partir d'une détermination de l'impulsion large bande correspondant au trajet le plus court plus fiable que dans les solutions proposées actuellement.
A cette fin, selon un premier aspect, l'invention propose un procédé de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- émission par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux,
- réception par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues par les antennes étant orthogonales deux à deux,
- corrélation des impulsions reçues avec des impulsions large bande prédéterminées, - détermination du trajet le plus court entre le terminal mobile et la balise à partir du résultat des corrélations,
- détermination de la distance entre le terminal mobile et la balise à partir du trajet le plus court déterminé.
La présente invention concerne aussi un dispositif de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisé en ce que le dispositif de détermination comporte :
- des moyens d'émission par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux,
- des moyens de réception par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues par les antennes étant orthogonales deux à deux,
- des moyens de corrélation des impulsions reçues avec des impulsions large bande prédéterminées,
- des moyens de détermination du trajet le plus court entre le terminal mobile et la balise à partir du résultat des corrélations,
- des moyens de détermination de la distance entre le terminal mobile et la balise à partir du trajet le plus court déterminé.
Ainsi, la présente invention permet une meilleure détermination de la distance entre une balise et un terminal mobile et permet la détermination de l'impulsion large bande correspondant au trajet le plus court d'une manière plus fiable que dans les solutions proposées actuellement.
Selon un mode particulier de l'invention, chaque impulsion ultra large bande d'indice n est représentée par la formule suivante :
Figure imgf000005_0001
Avec :
: Polynôme de degré est un coefficient du
Figure imgf000005_0003
polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande, et t est le temps,
Figure imgf000005_0004
: Fonction gaussienne
Figure imgf000005_0002
Ainsi, la présente invention, en utilisant une fonction gaussienne, tire avantage du fait que les valeurs des intégrales successives sont connues. L'implémentation de la présente invention est ainsi simplifiée.
Selon un mode particulier de l'invention, les coefficients des polynômes sont obtenus itérativement en déterminant en premier le coefficient du polynôme du plus petit degré, puis en déterminant successivement les coefficients des polynômes de degré supérieur.
Ainsi, il est possible créer, de manière simple, un nombre important d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux.
Selon un mode particulier de l'invention, les impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux reçues font partie de l'ensemble d'impulsions orthogonales deux à deux comportant
Figure imgf000006_0002
et dans lequel :
Figure imgf000006_0003
où K est un coefficient de normalisation et σ est l'écart type d'une Gaussienne compris entre
Figure imgf000006_0004
Figure imgf000006_0001
Selon un mode particulier de l'invention, le procédé comporte en outre l'étape de réception de la position de la balise.
Ainsi, si la position des balises est susceptible d'évoluer au cours de temps, il est possible de mettre à jour les positions initialement ou précédemment stockées dans la mémoire de masse du terminal mobile.
Selon un mode particulier de l'invention, des impulsions ultra large bande et des positions sont reçues d'une pluralité de balises et la distance entre le terminal mobile et chaque balise est déterminée pour déterminer la position du terminal mobile.
L'invention concerne aussi un procédé de transfert d'impulsions ultra large bande par une balise pour la détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et la balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- réception par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues étant orthogonales deux à deux, - émission par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux.
L'invention concerne aussi une balise émettant des impulsions ultra large bande pour la détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et la balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisée en ce que la balise comporte :
- des moyens de réception par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues étant orthogonales deux à deux,
- des moyens d'émission par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux.
L'invention concerne aussi les programmes d'ordinateur stockés sur un support d'informations, lesdits programmes comportant des instructions permettant de mettre en œuvre les procédés précédemment décrits, lorsqu'ils sont chargés et exécutés par un système informatique.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
la Fig. 1 représente un système de localisation d'un terminal mobile à l'aide d'impulsions ultra large bande dans lequel la présente invention est implémentée ; la Fig. 2 représente une balise ultra large bande selon la présente invention ; la Fig. 3 représente un terminal mobile ultra large bande selon la présente invention ;
les Figs. 4 représentent des exemples d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux utilisées dans la présente invention ;
la Fig. 5 représente un exemple de réponse du canal entre une balise et un terminal mobile ;
la Fig. 6 représente un algorithme de transmission d'une pluralité d'impulsions ultra large bande selon la présente invention ;
la Fig. 7 représente un algorithme de détermination de la position d'un terminal mobile à partir d'une pluralité d'impulsions ultra large bande reçues selon la présente invention. La Fig. 1 représente un système de localisation d'un terminal mobile à l'aide d'impulsions ultra large bande dans lequel la présente invention est implémentée.
Le système de localisation d'un terminal mobile à l'aide d'impulsions ultra large bande représenté dans la Fig. 1 comporte une pluralité de balises 10 et un terminal mobile 20.
Seulement quatre balises 10a à lOd sont représentées dans la Fig. 1 par souci de simplification.
Chaque balise 10a, 10b, 10c et lOd comporte une pluralité d'antennes. La balise 10a comporte N antennes notées AntaAl à AntaAN, la balise 10b comporte N antennes notées AntbAl à AntbAN, la balise 10c comporte N antennes notées AntcAl à AntcAN et la balise lOd comporte N antennes notées AntdAl à AntdAN.
Les balises sont par exemple fixes et disposées dans un bâtiment.
Le terminal mobile 20 comporte N antennes notées AntBl à AntBN.
Chaque balise 10 émet au moins une impulsion ultra large bande sur chacune de ses antennes.
Par exemple, si l'on considère que la balise 10a émet une impulsion ultra large bande sur chacune de ses antennes AntaAl à AntaA2, le canal de transmission est constitué d'un trajet direct noté par exemple d'indice 0 et de K trajets indirects (d'indices 1 à K).
Les signaux émis par les antennes AntaAl à AntaA2 sont les suivants :
Figure imgf000008_0002
Où x et y désignent deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux
Figure imgf000008_0003
des coefficients complexes unitaires, c'est-à-dire de module égal à est le signal émis par l'antenne est le signal émis par
Figure imgf000008_0004
Figure imgf000008_0005
l'antenne AntaA2
Si le terminal mobile 20 comporte deux antennes, les signaux reçus par les deux antennes AntBl à AntB2 du terminal mobile 20 sont les suivants :
Figure imgf000008_0001
Figure imgf000009_0002
désignent des variables aléatoires de même loi, les
Figure imgf000009_0005
retards avec lesquels les trajets multiples parviennent au terminal mobile
Figure imgf000009_0004
et
Figure imgf000009_0006
des sources de bruit, rxf (t) est le signal reçu par l'antenne AntB est
Figure imgf000009_0003
le signal reçu par l'antenne AntB2.
Figure imgf000009_0001
Le terminal mobile 20 corrèle les deux signaux reçus avec deux répliques locales des impulsions ultra large bande envoyées. Pour cela le terminal mobile 20 comporte quatre corrélateurs fonctionnant en parallèle. Les sorties de corrélateurs donnent :
Figure imgf000010_0001
La puissance du pic de corrélation associé au trajet le plus court est donnée par :
Figure imgf000010_0004
Si l'on considère que sont des variables aléatoires
Figure imgf000010_0003
indépendantes centrées réduites d'écart-type σ, le pic associé au trajet le plus court est caractérisé par le rapport signal-sur-bruit suivant :
Figure imgf000010_0002
En l'absence de diversité, la puissance du pic de corrélation associé au trajet le court est donnée par :
Figure imgf000011_0001
Et le pic de corrélation associé au trajet le plus court est caractérisé par le rapport signal-sur-bruit suivant :
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000011_0004
Par simulation, les inventeurs ont déterminé que le gain moyen obtenu pour deux antennes est de 13 dB si les variables aléatoires impliquées suivent des lois de probabilité classiques, c'est-à-dire uniforme et gaussienne.
L'exemple dans lequel les balises 10 et le terminal mobile 20 comportent respectivement deux antennes peut être généralisé de la manière suivante à N antennes.
Si la diversité en émission et en réception est réalisée avec N antennes, alors N impulsions ultra large bande deux à deux orthogonales sont utilisées. Dans ce
Figure imgf000011_0005
cas, les signaux émis par les N antennes de la balise 10 sont les suivants :
Figure imgf000011_0003
Et le gain réalisé est donné par :
Figure imgf000012_0001
La Fig. 2 représente une balise ultra large bande selon la présente invention. La balise 10 comprend :
- un processeur, micro-processeur, ou microcontrôleur 200 ;
- une mémoire volatile 203 ;
- une mémoire non volatile 202;
- éventuellement, un lecteur 204 de médium de stockage, tel qu'un lecteur de carte SD (Secure Digital Card en anglais ou Carte Numérique Sécurisée en français);
- une interface radio 205 comportant au moins deux antennes ;
- un bus de communication 201 reliant le processeur 200 à la mémoire ROM 202, à la mémoire RAM 203, au lecteur de médium de stockage 204 et à l'interface radio 205.
Le processeur 200 est capable d'exécuter des instructions chargées dans la mémoire volatile 203 à partir de la mémoire non volatile 202, d'une mémoire externe (non représentée), d'un support de stockage, tel qu'une carte SD ou autre, ou d'un réseau de communication. Lorsque la balise 10 est mise sous tension, le processeur 200 est capable de lire de la mémoire volatile 203 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d'ordinateur qui cause la mise en œuvre, par le processeur 200, de tout ou partie du procédé décrit en relation avec la Fig. 6.
Tout ou partie du procédé décrit en relation avec la Fig. 6 peut être implémenté sous forme logicielle par exécution d'un ensemble d'instructions par une machine programmable, tel qu'un DSP {Digital Signal Processor en anglais ou Unité de Traitement de Signal Numérique en français) ou un microcontrôleur ou être implémenté sous forme matérielle par une machine ou un composant dédié, tel qu'un FPGA (Field-Programmable Gâte Array en anglais ou Matrice de Portes Programmable sur le Terrain en français) ou un ASIC (Application-Specific Integrated Circuit en anglais ou Circuit Intégré Spécifique à une Application en français).
L'interface radio 205 comporte au moins deux antennes placées sur des faces non parallèles. Les antennes sont par exemple des antennes dipôle ou monopôle ou patch.
La Fig. 3 représente un terminal mobile radio ultra large bande selon la présente invention. Le terminal mobile 20 comprend :
- un processeur, micro-processeur, ou microcontrôleur 300 ;
- une mémoire volatile 303 ;
- une mémoire non volatile 302;
- éventuellement, un lecteur 304 de médium de stockage, tel qu'un lecteur de carte SD (Secure Digital Card en anglais ou Carte Numérique Sécurisée en français);
- une interface radio 305 comportant au moins deux antennes;
- un bus de communication 301 reliant le processeur 300 à la mémoire ROM 302, à la mémoire RAM 303, au lecteur de médium de stockage 304 et à l'interface radio 305.
Le processeur 300 est capable d'exécuter des instructions chargées dans la mémoire volatile 303 à partir de la mémoire non volatile 302, d'une mémoire externe (non représentée), d'un support de stockage, tel qu'une carte SD ou autre, ou d'un réseau de communication. Lorsque le terminal mobile 20 est mis sous tension, le processeur 300 est capable de lire de la mémoire volatile 303 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d'ordinateur qui cause la mise en œuvre, par le processeur 300, de tout ou partie du procédé décrit en relation avec la Fig. 7.
Tout ou partie du procédé décrit en relation avec la Fig. 7 peut être implémenté sous forme logicielle par exécution d'un ensemble d'instructions par une machine programmable, tel qu'un DSP {Digital Signal Processor en anglais ou Unité de Traitement de Signal Numérique en français) ou un microcontrôleur ou être implémenté sous forme matérielle par une machine ou un composant dédié, tel qu'un FPGA (Field-Programmable Gâte Array en anglais ou Matrice de Portes Programmable sur le Terrain en français) ou un ASIC (Application-Specific Integrated Circuit en anglais ou Circuit Intégré Spécifique à une Application en français).
L'interface radio 205 comporte au moins deux antennes placées sur des faces non parallèles. Les antennes sont par exemple des antennes dipôle ou monopôle ou patch.
Les Figs. 4 représentent des exemples d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux utilisées dans la présente invention. Selon la présente invention, une impulsion ultra large bande est un signal bref constitué d'au moins une demi-période de sinusoïde multipliée par un signal de pondération.
La Fig. 4a représente une impulsion ultra large bande a(t) qui a pour équation :
Figure imgf000014_0004
où K est un coefficient de normalisation, σ est l'écart type d'une Gaussienne compris entre 10~10 et 10~9s. Par exemple, K est égal à 10~9et σ = 0,5 ns.
La Fig. 4b représente une impulsion ultra large bande β (t) qui a pour équation :
Figure imgf000014_0005
La Fig. 4c représente une impulsion ultra large bande y(t) qui a pour équation :
Figure imgf000014_0006
deux.
De manière générale, une impulsion ultra large bande d'indice n peut être représentée par la formule suivante:
Figure imgf000014_0007
Avec :
Figure imgf000014_0011
: Polynôme de degré
Figure imgf000014_0010
est un coefficient du polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande et t est le temps,
G (t) : Fonction gaussienne
Figure imgf000014_0008
Le produit scalaire Sm n de deux impulsions ultra large bande est :
Figure imgf000014_0001
Où 5m n désigne le symbole de Kronecker :
Figure imgf000014_0002
Soit la formule suivante :
Figure imgf000014_0009
où Γ désigne la fonction gamma :
Figure imgf000014_0003
Appelons Vn l'intégrale suivante :
Figure imgf000015_0003
Si n est pair alors nous avons :
Figure imgf000015_0004
Sinon
Figure imgf000015_0005
A partir de ce résultat, le produit scalaire Sm n peut être calculé itérativement en partant de m = 0.
Pour m = 0
Figure imgf000015_0001
Pour m = 1 , deux équations sont à écrire : S
Figure imgf000015_0006
= 0
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0001
Ainsi
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0002
Les coefficients des polynômes nécessaires à la génération d'impulsions ultra large bande peuvent ainsi être déterminés.
Pour m > 2, il y a m+l équations à écrire. Une première équation pour exprimer que le produit scalaire de la fonction Im par elle-même qui est égale à un : Sm m = 1 et m équations pour exprimer l'orthogonalité de la fonction Im avec le jeu de fonctions
Figure imgf000018_0003
La Fig. 5 représente un exemple de réponse du canal entre une balise et un terminal mobile.
L'axe des abscisses représente le délai de propagation d'une impulsion selon différents trajets transmise par une balise 10 et reçue par un terminal mobile 20.
L'axe des ordonnées représente l'amplitude d'une impulsion pour différents trajets et reçue par un terminal mobile 20.
Le pic noté 50 est l'amplitude de l'impulsion reçue par le terminal mobile 20 selon le trajet le plus court.
Le pic noté 51 est l'amplitude de l'impulsion reçue par le terminal mobile 20 selon un trajet différent du trajet le plus court.
En l'absence d'obstacles, le pic correspondant au trajet le plus court est le premier pic pouvant être distingué, c'est-à-dire le premier pic dont l'amplitude dépasse un seuil prédéterminé dont la valeur est calculée en fonction du rapport signal- sur-bruit.
Lorsqu'un terminal mobile 20 évolue en milieu intérieur, l'amplitude des pics correspondant aux trajets multiples dépasse généralement celle du pic correspondant au trajet le plus court en raison de l'atténuation subie par l'onde lorsqu'elle traverse un ou plusieurs obstacles.
La Fig. 6 représente un algorithme de transmission d'une pluralité d'impulsions ultra large bande selon la présente invention.
Plus précisément, le présent algorithme est exécuté par le processeur 200 de chaque balise 10.
A l'étape E60, le processeur 200 détecte la réception par l'interface radio 205 d'une impulsion ultra large bande émise par un terminal mobile 20.
A l'étape suivante E61, le processeur 200 commande la transmission d'au moins une impulsion ultra large bande par chaque antenne de la balise.
Par exemple, les antennes sont placées sur des plans non parallèles de la balise
10.
Les impulsions ultra large bande transmises sont, selon la présente invention, orthogonales deux à deux.
A l'étape suivante E62, le processeur 200 commande le transfert de la position de la balise par l'intermédiaire de l'interface radio 205.
La Fig. 7 représente un algorithme de détermination de la position d'un terminal mobile à partir d'une pluralité d'impulsions ultra large bande reçues selon la présente invention.
Plus précisément le présent algorithme est exécuté par le processeur 300 du terminal mobile 20.
A l'étape E70, le processeur 300 commande la transmission d'au moins une impulsion ultra large bande par chaque antenne du terminal mobile 20.
A l'étape E71, le processeur 300 détecte la réception par chacune de ses antennes et par l'interface radio 305 d'une impulsion ultra large bande émise par un terminal mobile 20.
A l'étape suivante E72, le processeur 300 commande l'interface radio 305 pour exécuter une corrélation des signaux reçus avec des répliques locales des impulsions envoyées. Lorsque le module radio comporte deux antennes et que deux impulsions ultra large bande sont reçues, quatre corrélations sont exécutées.
A l'étape suivante E73, le processeur 300 identifie le délai le plus court à partir des corrélations effectuées.
A l'étape suivante E74, le processeur 300 détecte la réception de la position de la balise ayant envoyé les impulsions large bande reçues à l'étape E71. A partir d'au moins deux positions de balises reçues et d'impulsions ultra large bande émises par deux balises, le processeur 300 détermine la position du terminal mobile.
Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits ici, mais englobe, bien au contraire, toute variante à la portée de l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de :
- émission (E70) par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux, chaque impulsion ultra large bande d'indice n est représentée par la formule suivante :
Figure imgf000021_0001
Avec :
Figure imgf000021_0003
: Polynôme de degré
Figure imgf000021_0004
est un coefficient du polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande, et t est le temps,
G (t) : Fonction gaussienne
Figure imgf000021_0002
- réception (E71) par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues par les antennes étant orthogonales deux à deux,
- corrélation (E72) des impulsions reçues avec des impulsions large bande prédéterminées,
- détermination (E73) du trajet le plus court entre le terminal mobile et la balise à partir du résultat des corrélations,
- détermination (E74) de la distance entre le terminal mobile et la balise à partir du trajet le plus court déterminé. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les coefficients des polynômes sont obtenus itérativement en déterminant en premier le coefficient du polynôme du plus petit degré, puis en déterminant successivement les coefficients des polynômes de degré supérieur. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux reçues font partie de l'ensemble d'impulsions orthogonales deux à deux comportant
Figure imgf000022_0002
et dans lequel :
Figure imgf000022_0003
où K est un coefficient de normalisation et σ est l'écart type d'une Gaussienne.
Figure imgf000022_0001
4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le procédé comporte en outre l'étape de réception de la position de la balise.
5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que des impulsions ultra large bande et des positions sont reçues d'une pluralité de balises et en ce que la distance entre le terminal mobile et chaque balise est déterminée pour déterminer la position du terminal mobile.
6) Dispositif de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisé en ce que le dispositif de détermination comporte :
- des moyens d'émission par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux, chaque impulsion ultra large bande d'indice n est représentée par la formule suivante :
Figure imgf000022_0004
Avec :
Figure imgf000022_0008
: Polynôme de degré
Figure imgf000022_0005
est un coefficient du polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande, et t est le temps,
: Fonction gaussienne
Figure imgf000022_0007
Figure imgf000022_0006
- des moyens de réception par chaque antenne du terminal mobile d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues par les antennes étant orthogonales deux à deux, - des moyens de corrélation des impulsions reçues avec des impulsions large bande prédéterminées,
- des moyens de détermination du trajet le plus court entre le terminal mobile et la balise à partir du résultat des corrélations,
- des moyens de détermination de la distance entre le terminal mobile et la balise à partir du trajet le plus court déterminé.
7) Procédé de transfert d'impulsions ultra large bande par une balise pour la détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et la balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de
- réception par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues étant orthogonales deux à deux, chaque impulsion ultra large bande d'indice n est représentée par la formule suivante :
Figure imgf000023_0001
Avec :
: Polynôme de degré est un coefficient du
Figure imgf000023_0007
Figure imgf000023_0005
polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande, et t est le temps,
: Fonction gaussienne
Figure imgf000023_0002
- émission par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux.
8) Balise émettant des impulsions ultra large bande pour la détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et la balise comportant une pluralité d'antennes, caractérisée en ce que la balise comporte :
- des moyens de réception par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions reçues étant orthogonales deux à deux, chaque impulsion ultra large bande d'indice n est représentée par la formule suivante :
Figure imgf000023_0003
Avec :
: Polynôme de degré est un coefficient du
Figure imgf000023_0006
Figure imgf000023_0004
polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande, et t est le temps, : Fonction gaussienne
Figure imgf000024_0001
- des moyens d'émission par chaque antenne de la balise d'au moins une impulsion large bande, les impulsions émises par les antennes étant orthogonales deux à deux.
PCT/EP2016/057453 2015-04-10 2016-04-05 Procédé de détermination de la distance entre un terminal mobile comportant une pluralité d'antennes et une balise comportant une pluralité d'antennes WO2016162341A1 (fr)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1748577A2 (fr) * 2005-07-27 2007-01-31 Commissariat A L'energie Atomique Procédé et dispositif de communication multi-antennes ultra-large bande utilisant des impulsions de Hermite

Patent Citations (1)

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Title
COLI V: "UWB TECHNOLOGY FOR LOCATION-AWARE NETWORKING", RF DESIGN, PRIMEDIA BUSINESS MAGAZINES & MEDIA, OVERLAND PARK, KS, US, vol. 26, no. 11, 1 November 2003 (2003-11-01), XP001196427, ISSN: 0163-321X *

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