Géolocalisation indoor : balise or not balise ?

13 décembre 2018 0 Par Raph

Savoir où l’on se trouve précisément sur terre. Se géolocaliser sur la planète. Voilà un défi qui a été surmonté plutôt récemment sur l’échelle temporelle humaine grâce aux nouvelles technologies. On peut avancer comme réponse le sextant (Temps Modernes) ou l’astrolabe (Antiquité) mais on va surtout tabler sur le GPS (Années 70-80), qui écrase ses aînés en terme de précision et de rapidité. Grâce à lui, chacun peut se positionner sur le globe avec une précision de 10 à 100 mètres. Mondialement reconnu et utilisé par la population, le GPS n’en est pas moins inutile quant il s’agit de positionner les individus et objets en intérieur. La géolocalisation indoor (intérieure) est donc un sujet à part entière à différencier de la géolocalisation outdoor (extérieure). Découvrons quels moyens permettent de se localiser entre 4 murs, leurs avantages et leurs limites.

Pourquoi le GPS est inutile en intérieur ?

Le GPS, Global Positioning System, créé et diffusé par les Américains, est un système de géolocalisation par satellites. Une flotte de 27 satellites vogue 20 200 km au dessus de nos têtes afin de nous permettre de nous positionner, nous ou nos véhicules. Ces satellites vont émettre des signaux qui seront captés par une puce électronique GPS (située dans notre TomTom ou notre smartphone). Le système déterminera ensuite la latitude, longitude et altitude de cette puce et donc de notre position sur une carte.

À noter que son équivalent Européen, Galiléo, opérationnel depuis fin 2016 et dont le déploiement optimal (et sa précision maximale) surviendra en 2020, a pour objectif de remplacer le GPS en Europe.

 

Satellite

 

Malheureusement la puissance du signal des puces GPS n’est pas assez fort pour qu’elles puissent être captées à l’intérieur d’un bâtiment. Pas assez fort et d’autant plus imprécis qu’il ne pourra déterminer l’étage où se trouve le capteur. C’est là que réside la limite du GPS : il ne fonctionnera qu’en extérieur.

Malgré ses prouesses, le GPS n’est donc pas la technologie qu’on utilisera comme système de géolocalisation indoor. À cet effet de nombreuses technologies ont été développées pour répondre à cette problématique, bien humaine. Revue !

Système de géolocalisation intérieur avec infrastructure

Les méthodes de géolocalisation par ondes

La localisation par ondes radio se base sur des méthodes appliquées à des supports.

Ici le sujet n’est pas de s’étendre sur les méthodes, mais une aperçu rapide de ces dernières permettra de mieux appréhender les supports radios :

  • AOA (Angle Of Arrival) : triangulation à partir des angles de réception,
  • TOA (Time Of arrival) : trilatération (distances déduites des temps de propagation),
  • TdOA (Time differential Of Arrival) : trilatération (distances déduites des différences de temps d’arrivée),
  • TOA – TWR (Time With Return) : trilatération (distances déduites des temps de propagation aller-retour),
  • RSS (Received Signal Strengh) :
    trilatération ou fingerprinting basé sur une BDD.

Radio

Ces différentes méthodes pour positionner un terminal dans l’espace sont donc étroitement associées au support utilisé pour les mettre en place.

 

 

Les supports de géolocalisation par ondes

Basés sur les méthodes précédemment présentées, les différents supports suivant permettent de positionner une personne ou un objet dans un bâtiment :

Le Wi-Fi, basé sur des bornes réseaux physiques, repose sur la méthode de la force du signal (RSS). La borne wifi intérieur étant très répandue dans les bâtiments (et d’une grande portée), son exploitation et sa mise en place est très peu coûteuse. Sa précision est néanmoins de 2 à 5 mètres, ce qui est inférieur à d’autres supports. Un mappage du réseau peut tout de même être effectué afin d’augmenter la fiabilité du système.

Le Bluetooth Low Energy est une norme développée autour de l’IO (Internet of Objects) basée sur des beacons (balises). D’une portée de 10 mètres environ, le signal BlueTooth ne subit que de faibles fluctuations. À la base utilisé pour le geofencing, les beacons sont par définition installés à des endroits stratégiques dans les magasins. La méthode de localisation utilisée est l’analyse de la puissance des signaux (RSS) pour définir la position du terminal mobile.
Support voisin du Wi-Fi, le BlueTooth est plus précis (1 à 3 mètres) mais nécessite plus de matériel car de moindre portée que son homologue. Sa durée de vie présente un avantage certain (batterie pouvant durer jusqu’à plusieurs années). D’autre part la norme BLE fait partie intégrante des terminaux de type smartphone de façon native.

Le RFID émet des ondes de très courte portée et est peu coûteux. C’est justement son objectif : la détection de faible portée, à moins d’un mètre. C’est le support qui équipe les cartes bancaires ou les badges de sécurité. Logiquement il est donc compliqué d’utiliser cette technologie pour localiser une personne dans l’espace, dû à la proximité des capteurs qu’il implique.

L’UWB (ou Ultra Wide Band) sont des signaux d’impulsion d’une durée inférieur à la nanoseconde et d’une densité spectrale très faible. Les méthodes TOA (allié au TWR) ou TdOA exploitent pleinement ce support et permettent d’atteindre une précision de positionnement allant jusqu’au centimètre, fiable et moins sensible aux interférences que d’autres systèmes. La portée des signaux UWB est néanmoins courte, de l’ordre de 15m et le coût de la technologie plus élevé que le Wi-Fi ou le BlueTooth (des chipset à 25€ l’unité). À noter que cette techno présente une bonne pénétration des matériaux.

Les systèmes de localisation par ondes radios ont donc leurs lots d’avantages et d’inconvénients. Cependant aucune ne sort du lot : plus elles sont fiables et précises, plus elles sont onéreuses et de courte portée (et donc d’un besoin quantitatif conséquent). Le meilleur compromis semble être la Bande Ultra Large, si le budget s’y prête. Néanmoins toutes supposent la mise en place de balises (ou l’utilisation de balises déjà implantées) qui doivent être rechargées ou remplacées de façon continue (et donc pose la question d’un engagement sur le long terme). Pour palier à cet inconvénient, il faudra se tourner vers des technologies sans infra !

Système de géolocalisation intérieur sans infrastructure

Navigation à l’estime

Non ça ne veut pas dire prendre la mer et naviguer au doigt mouillé. La navigation à l’estime, aussi appelé Dead Reckoning, est une méthode de positionnement d’une personne ou d’un objet déduite par rapport à sa position initiale et l’évolution de capteurs inertiels. La position relative est ensuite calculée grâce aux données renvoyées par l’accéléromètre, le gyroscope et la boussole du téléphone support.

Boussole

La navigation à l’estime se base sur un plan de bâtiment préalablement enregistré et nécessite la connaissance d’un point de départ établi. Le terminal de l’utilisateur peut communiquer avec le serveur ce qui permet de récupérer, traiter et filtrer les données et réduire les écarts de position tout au long de son déplacement.

Ce système est très pratique car autonome (si ce n’est l’enregistrement du plan du bâtiment en amont). C’est au niveau de la précision qu’il pêche, lié à l’accumulation de petites erreurs lors du parcours de l’individu.
Les capteurs inertiels permettent donc de positionner un objet ou un individu sans infrastructure mais il ne se suffit pas à lui même. Il faut le coupler à une autre technologie. Dans le jargon cela s’appelle de la fusion de données.

Les champs magnétiques terrestres

Le bouclier terrestre est un champ magnétique présent tout autour du globe mais aussi dans son manteau et sa croûte. Il provient du noyau terrestre.

Or le champ magnétique terrestre est perturbé par les constructions humaines. Dans chaque bâtiment construit par l’homme, il y a des traces de fer ou autres métaux. Cette perturbation engendre une signature propre, comme une empreinte localisée. C’est cette empreinte personnalisée à chaque lieux qui va servir de carte sur laquelle on pourra positionner un terminal. C’est du fingerprinting.

Pour pouvoir utiliser les empreintes de champ magnétique comme système de géolocalisation, il faut avant tout établir une cartographie du champ magnétique du bâtiment. C’est ensuite le terminal mobile qui, en faisant un relevé du champ magnétique l’environnant, pourra le situer en comparaison avec la carte d’empreintes et ainsi définir sa position.
Au final, pas besoin d’infrastructure, seulement d’une cartographie initiale des lieux.

Champ magnétique

L’étape clé réside dans la mappage du champ magnétique global du bâtiment. L’avantage du procédé est qu’il ne nécessite pas d’infrastructure et donc son coût de déploiement reste bien inférieur aux supports radios, le tout avec une précision inférieure au mètre.

Couplé aux capteurs inertiels, l’utilisation du champ magnétique terrestre comme outil de géolocalisation indoor s’avère des plus ingénieux.
Géonomie, une start-up orléanaise étudiant le rapport de l’homme et son environnement, a créé la technologie du MIPS, Magneto-Inertial Positioning System en combinant les atouts des capteurs inertiels et du fingerprinting. Le MIPS permet donc de géolocaliser sans infrastructure et de façon précise à quelques dizaines de centimètres.

En résumé

Il existe une multitude de méthodes et de technologies pour identifier où se trouve un individu ou un objet dans un bâtiment, mais aucun ne décroche la palme comme meilleur procédé. Néanmoins le MIPS se détache de par sa précision et l’absence d’infrastructure qu’il sous entend.