Localisation en zones de non-couverture des systèmes de radionavigation par satellites à base de répéteurs GNSS

par Nabil Jardak

Thèse de doctorat en Informatique, télécommunications et électronique

Sous la direction de Jean-Pierre Delmas.

Soutenue en 2008

à Evry, Institut national des télécommunications .

mots clés

• Localisation par satellites, Systèmes de
• Satellites artificiels en navigation
• GPS

Résumé

Chacun de nous a connu des situations dans lesquelles il se trouve perdu dès qu'il quitte un endroit familier. Vue l'importance de la donnée "position", et face à l'incapacité des systèmes GNSS (Global Navigation Satellite Systems) à fournir une position valide en zones difficiles, les scientifiques et les industriels ont développé plusieurs techniques de localisations en intérieurs. La présente thèse porte sur le système de positionnement en intérieur à base de répéteurs GNSS. Cette technique se base sur l'emploi de répéteurs GNSS qui transmettent, à l'intérieur, d'une façon séquentielle, les signaux GNSS captés par une antenne extérieure. Le positionnement se base sur la détermination des sauts de la phase du code (ou sauts de phase) se produisant au moment du passage d'un répéteur au répéteur suivant. Les sauts de phase sont sujets à des erreurs dont les plus importantes sont le multi-trajet et le bruit thermique. Les travaux développés au cours de cette thèse portent sur la réduction de l'effet de ces sources de perturbation sur les sauts de phase. Pour cela, des techniques originales ont été proposées : la technique de la boucle ouverte pour la réduction de l'effet du bruit thermique, la SMICL, la MIDLL et la SxPRCT pour la réduction de l'erreur due au multi-trajet. La technique de la boucle ouverte consiste en l'usage d'une boucle de code ouverte aidée par la boucle de porteuse, profitant des propriétés statistiques du bruit. Cette technique a permis une amélioration significative de la mesure des sauts de phase. La technique SMICL consiste en un discriminateur de boucle de code insensible aux trajets multiples ayant des délais relatifs inférieurs à 0,5 chip, typiques d?un environnement intérieur de taille limitée. Les performances de la SMICL dépassent largement celles des techniques existantes pour les multi-trajets courts (1 à 2 m d'erreur résiduelle sur la mesure de code). La technique MIDLL réduit l'effet des trajets multiples sur la mesure de code sans limite de délai. L'idée de base repose sur le fait que le discriminateur standard possède un point invariant aux trajets multiples lorsqu'il est convenablement normalisé. Les résultats auxquels a abouti cette technique sont excellents (1 à 2 m d'erreur sur la mesure de code). La technique SxPRCT de réduction des trajets multiples moyens et longs consiste en l'usage de la fonction de corrélation entre la séquence reçue et le produit du PRN par une sous porteuse carrée. Cette approche agit comme un filtre pour les trajets multiples moyens et longs. Les résultats de simulations ont montré que cette technique était très efficace. La MIDLL ainsi que la SxPRCT peuvent servir pour le positionnement en extérieur utilisant les GPS, tout comme la SMICL dans une moindre mesure. Les trois techniques sont adaptées au cas du système à base de répéteurs. En outre, la technique MIDLL a été appliquée aux signaux Galileo du service ouvert de la bande E1. Ces techniques permettent au système de localisation à base de répéteurs d'atteindre ses performances théoriques de positionnement avec une précision inférieure à 2 mètres en 3D.

Titre traduit

Indoor positioning based on GNSS repeaters

Résumé

The indoor localisation systems are increasingly needed in supporting future Location Based Services (LBS). This thesis deals with the indoor positioning system based on GNSS repeaters. This system is based on the use of four repeaters which transmit the GNSS signals collected by an outdoor antenna indoors, in a time multiplexing mode. The positioning is based on the code phase jumps produced at the instant of the signal transition between two repeaters. This phase jumps mainly suffer from two error sources: thermal noise and multipath. Therefore, this thesis develops theoretical aspects of the system of repeaters and proposes innovative techniques to reduce the effect of the error sources on the phase jumps. The open loop technique was proposed to reduce the effect of thermal noise on the phase jumps based on the statistical properties of the noise. It implements an open code loop aided by the phase loop. Practical results showed a significant improvement in the phase jump measurement quality. The SMICL (Short Multipath Insensitive Code Loop) technique implements a code loop discriminator insensitive to multipath having relative delays lower than 0. 5 chip, typical of indoor environments. It dramatically improves the code phase measurements in the presence of multipath (maximum error between 1 and 2 m). Another multipath mitigation technique, the MIDLL (Multipath insensitive delay lock loop), is presented. The MIDLL is based on the fact that the code discriminator has an invariant point when it is suitably normalized. This technique outperforms the existing multipath mitigation techniques both in terms of simplicity of implementation in current receivers and precision (maximum error between 1 and 2 m, too). The SxPRCT (Subcarrier x PRN Reference Code Technique) filters medium and long multipaths by using a reference replica which is the product between the PRN code and a square subcarrier. The SxPRCT yields excellent results. The MIDLL and the SxPRCT were developed for the outdoor positioning using the GPS, as is the case of the SMICL but to a lesser extent. These techniques were adapted to the case of the system of repeaters. Moreover, the MIDLL has successfully been applied to the Galileo open service codes on E1. These techniques allow the repeaters based system to reach its theoretical accuracy namely indoor positioning in the range 2 meters.