Contrôle d'intégrité pour utilisateurs mobile en milieu urbain

Gnss-based positioning for train control and toll collection in urban environments

• Auteur / Autrice : Philippe Brocard
• Direction : Olivier Julien, Christophe Macabiau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, Image, Acoutisque et Optimisation
• Date : Soutenance le 30/03/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Équipe de recherche en Télécommunications (Toulouse)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Duflos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Julien, Christophe Macabiau, Mikeal Mabilleau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Washington Yotto Ochieng, Boris Pervan

Mots clés

Mots clés libres

GNSS

Contrôle d'intégrité

Traitement du signal

Fusion de capteurs

GNSS

Integrity monitoring

Signal processing

Hybridization

Urban environment

Résumé

Du fait de la modernisation des systèmes de positionnement par satellites existants, du développement de nouveaux GNSS tels que Galileo et de l'amélioration des systèmes d'augmentations, le GNSS est une technologie prometteuse pour certaines application terrestres qui nécessitent de déterminer la position de véhicules grâce à des infrastructures sol coûteuses. Dans le domaine ferroviaire, le système européen de contrôle des trains (ETCS) s'appuie sur une combinaison de radiobalises et l'odométrie. L'utilisation du GNSS pour ce système est envisagée dans le but de réduire le nombre de ces balises. Dans le domaine routier, le GNSS est une des technologies recommandées par la directive européenne pour le péage électronique. Pour ces deux applications qui sont soit critique d'un point de vue de la sécurité des personnes (contrôle des trains), soit critique d'un point de vue juridique (péage virtuel), il n’est pas acceptable d’estimer la position du véhicule avec une erreur importante sans que le système en soit informé. Il est dans un premier temps nécessaire de définir les exigences opérationnelles du système de navigation pour ces applications terrestres. Un état de l’art sur les exigences possibles pour le contrôle ferroviaire et le péage électronique est proposé. Pour ces applications terrestres, les véhicules sont susceptibles d’opérer en environnement contraint. En milieu urbain, les performances du GNSS sont fortement dégradées du fait des phénomènes d’interférence multitrajet, poursuite de trajets non directs et effets de masquages. Ces phénomènes vont dégrader la précision, l’intégrité, la disponibilité du GNSS. Il est proposé d’augmenter les solutions proposées pour chaque applications en intégrant des mesures d’une centrale inertielle six axes qui sont, elles, insensibles à l’environnement du véhicule. L’intégration d’informations provenant d’autres capteurs tels qu’une carte des voies pour le contrôle ferroviaire et l’odométrie pour le péage électronique est proposée. Les modèles d’erreur nominaux et modèles de pannes de chacun des capteurs sont étudiés par la suite. Les modèles nominaux seront utilisés par la suite pour pondérer les mesures dans l’algorithme de fusion mais aussi pour tester les performances de l’algorithme de fusion sur simulateur. En particulier la caractérisation de la distribution et la modélisation des erreurs dues aux multi-trajets et trajets non directs en environnements urbain est étudiée sur simulateur et sur une campagne de collecte conduite dans le centre-ville de Toulouse et ses environs. Le filtre de Kalman étendu utilisé pour fusionner les mesures GNSS et mesures d’autres capteurs est ensuite présenté. En particulier, l’intégration des données de la carte des voies pour le contrôle ferroviaire et l’extension de la solution au cas multi constellation pour le péage électronique est présentée. Les solutions proposées sont validées et testées sur simulateur de mesures, ainsi qu’en signaux réels en centre- ville et périphérie de Toulouse. Par la suite, il est proposé d’améliorer la robustesse et la fiabilité des mesures GNSS en villes en développant des algorithmes de mitigation et de détection de mesures erronées au niveau traitement du signal. Un algorithme de détection basé sur l’analyse en temps réel de la fonction de corrélation est proposé. Cet algorithme a pour fonction d’assister l’algorithme de contrôle d’intégrité en amont en le protégeant contre les pannes dues aux trajets multiples de fortes amplitudes. Plusieurs méthodes de sélection des mesures basées sur l’élévation des satellites, de rapport signal sur bruit ou sur la cohérence par comparaison avec les mesures des capteurs non GNSS disponibles à bord sont étudiées afin de limiter ce phénomène. Le design d’un algorithme de contrôle d’intégrité pour le filtre de Kalman est présenté et adapté au cas d’étude.

Satellite navigation is a promising technology for terrestrial applications that requires the monitoring of the vehicle position thanks to costly ground infrastructures. In the rail domain, the European train control system (ETCS) relies on a combination of radio beacons (that provides information of absolute position) and odometry to propagate the position between two balises groups. The use of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) in ETCS has been proposed in order to reduce the amount of beacons. In the road domain, the GNSS is one of the technologies recommended by the European Union directive for Electronic Toll Collection (ETC), and GNSS based ETC systems already exists for heavy good transportation in Germany and Slovakia. For these two applications that are either safety critical (train control) or liability critical (toll collection), it is not acceptable to estimate the position of the vehicle with a large error without warning the system within a sufficiently short delay. It is firstly necessary to define the operational requirements for the navigation system for these terrestrial applications. This kind of problematic has already been handled in the context of civil aviation which is also a critical application, but currently, the operational requirements associated to GNSS are not standardized for the train control and ETC. Based on the model of civil aviation, a state of the art of possible requirements for train control and electronic toll collection is proposed. For train control, a solution based on redundant independent GNSS constellations has been proposed in order to relax the integrity risk requirements on each sub constellation. In the case of ETC, the requirements will depend on the case of study and are indirectly imposed by the toll charger. For terrestrial applications, the vehicles are likely to operate in constrained environment (including urban environment). In urban environment, the performances of GNSS are highly degraded due to multipath interference, tracking of non- line-of-sights and masking effects. These phenomena are likely to degrades the accuracy, integrity, availability and continuity of the GNSS based positioning system. It is proposed to augment the solution proposed for each application by integrating measurements from a six axis inertial measurement unit which are insensitive to the receiver surrounding environment. Integrating information from other sensors such as a track database for train control or odometry for toll collection is investigated. The nominal error models and fault modes of the sensors are then studied. The nominal error models will be used to weight the measurements in the fusion algorithm and to test the performances of the fusion algorithm by realistic simulations. In particular, the characterization of the distribution and the modelling of the errors dues to multipath and non-line-of-sights in urban environment is studied on simulator and on a data collection campaign conducted in Toulouse downtown (France) and its surroundings. The extended Kalman filter used to fuse the GNSS measurements and the measurements from other sensors are then presented. A tight coupling architecture in closed loop is presented as it is the most adapted to the cases of study. The integration of a track database in the solution is discussed in the case of train control. The extension of the solution to the multi-constellation case is also presented. The solutions have been validated and tested on a simulator as well as in real condition in Toulouse downtown. It is shown that additional sensors such as track database or wheel speed sensors enable to limit the drift of the position error in costing/degraded constellation condition. Then, it is proposed to improve the robustness and the reliability of the GNSS measurements in urban area by developing multipath detection algorithms at the signal processing level. A detection algorithm based on the real time analysis of the correlatio