Brevet FR3034933A1 — publié le 20161014

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. 3034933 2 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 5 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 : 10 - 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 15 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. 20 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 25 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, 30 - 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, 3034933 3 - 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 5 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 : /n(t) = P(t)G(t) Avec : 10 P(t) : Polynôme de degré n (Pn(t) = Etiol ak,ntk) où ak,n 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, t2 G (t) : Fonction gaussienne (G (t) = 1 e ,-2) \ 0- Ainsi, la présente invention, en utilisant une fonction gaussienne, tire avantage 15 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 20 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 25 deux à deux comportant a(t), (t) et y (t), et dans lequel : r2 a(t) = e 20-2 VUo- où K est un coefficient de normalisation et a est l'écart type d'une Gaussienne compris entre 10-10 et 10-9 s. K t t2 (t) = )e22 cf Kt 2 t2 y (t) = 2 1 - 2 (-(y) e 20-2 . -jro- 3034933 4 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 5 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 10 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, 15 - 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 20 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 25 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 oeuvre les procédés précédemment décrits, lorsqu'ils sont chargés et exécutés par un système informatique. 30 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 : 3034933 5 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 5 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 ; 10 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. 15 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. 20 Seulement quatre balises 10a à 10d sont représentées dans la Fig. 1 par souci de simplification. Chaque balise 10a, 10b, 10c et 10d 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 25 à AntcAN et la balise 10d 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 AntB1 à AntBN. Chaque balise 10 émet au moins une impulsion ultra large bande sur chacune de ses antennes. 30 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 : 3034933 6 f_1(t) t tx = allx(t) + a12y(t) t.xl (t) = a2ix(t) + a22y(t) Où x et y désignent deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux et an, a12, a21 et a22 des coefficients complexes unitaires, c'est-à-dire de module égal à 1. txi/ est le signal émis par l'antenne AntaAl et tx(t) est le signal émis par l'antenne AntaA2 5 Si le terminal mobile 20 comporte deux antennes, les signaux reçus par les deux antennes AntB1 à AntB2 du terminal mobile 20 sont les suivants : 1 K r Xe (t) = (bleit Xj _ 1 (t - T k) + blc2tx(t --ck))+ n1 (t) k = 0 K r Xe (t) = (bLt Xj _ (t - T k) + ,bc2tx(t - -ck)) + n2 (t) k = 0 Où b11, b12, b21 et b22 désignent des variables aléatoires de même loi, T k les retards avec lesquels les trajets multiples parviennent au terminal mobile 20, ni(t) et n2(t) des sources de bruit, rxe(t) est le signal reçu par l'antenne AntB 1 et rxe(t) est 10 le signal reçu par l'antenne AntB2. K r Xe (t) = blci_ (allx(t - T k) + a12y(t - T k)) k = 0 K -F b1c2(a21x(t - T k) + a22y(t - T k)) + ni(t) k = 0 K r Xe (t) = bL(aiix(t - T k) + a12y(t - T k)) k = 0 K -F bc2(a21x(t - T k) + a22y(t - T k)) + n2 (t) k = 0 3034933 7 Ir Xe (T) = (b1 a11 + blc2 an )x(t - T k) +(blci_ai2 r (t) = (b1 a11 + )x(t - T k) (b1 a12 k=0 k=0 k=0 k=0 K K + bi2 a22)Y(t - Tic) + (0 + bc2 a22)Y(t - Tk) + n2 (t) Ir Xe (T) =CICIX(T - T k) -F d2y(t - T k) + ni (t) k=0 k=0 r (t) =di_X(T - T k) d2y(t - T k) + n2 (t) k=0 k=0 Avec : {di_ = «clan -H b12 am k Le terminal mobile 20 corrèle les deux signaux C 1.c2 = t41 a12 ,b1c2 a22 - = all -r u22 a21 hk - = ai2 hk 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 5 donnent : (rxe (t) lx (t - -c)) = c;Mx(t - TO lx(t - T)) ci2(Y(t - Tk) I x(t - T)) + (ni (t) ix(t - -c)) k=0 k=0 (rxe (t)ly(t - -c)) = c;Mx(t - TO lx(t - T)) ci2(Y(t - Tk) I x(t - T)) + (ni (t) ix(t - -c)) k=0 k=0 (rxe (t) I x (t - T)) = dl(x(t - Tk)lx(t T)) (Y(t - Tax(t - T)) + (n2 (t) ix(t - -0) k=0 k=0 3034933 8 (rxe(t)ly(t - -c)) = di(X(t T 131Y (t T)) d2(31(t T 013(t - T)) (n2(01Y(t - T)) k=0 k=0 Lorsque t = -Co , c'est-à-dire le trajet le plus court, nous avons : {(rxe (t) lx (t - T0)) = cl), + (ni (t) I x(t - T0)) = c'21 + vu (rxe (t)ly(t - T0)) = c'22 + (ni (t) ly(t - T0)) = cl°2 + vu (rxe (t) I x(t - T0)) = c12)1 + (n2 (t) I x(t - T0)) = c12)1 + v2x (rxe (t)ly(t - T0)) = c'2)2 + (n2 (t) ly(t - T0)) = c'2)2 + v2y La puissance du pic de corrélation associé au trajet le plus court est donnée par : Dro = icio112 _Ficio_212 _Fic.1)112 _Fic.1212 Si l'on considère que v1,v1,,v2x et v2y sont des variables aléatoires indépendantes centrées réduites d'écart-type a, le pic associé au trajet le plus court est 5 caractérisé par le rapport signal-sur-bruit suivant : 02 _Ficio_212 _Fic.1)112 _Fic.1212 ç pdiversité ' 40-2 En l'absence de diversité, la puissance du pic de corrélation associé au trajet le plus court est donnée par : Pro = 1b10_1a1112 Et le pic de corrélation associé au trajet le plus court est caractérisé par le rapport signal-sur-bruit suivant : SNR, -o G2 10 Le gain obtenu pour deux antennes est donné par : SNRtiversité 14_12 icio212 _Fic.n112 -FIC 122 12 G(2) = SNR,0 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 15 respectivement deux antennes peut être généralisé de la manière suivante à N antennes. 1b10_1a1112 3034933 9 Si la diversité en émission et en réception est réalisée avec N antennes, alors N impulsions ultra large bande xn(t), deux à deux orthogonales sont utilisées. Dans ce cas, les signaux émis par les N antennes de la balise 10 sont les suivants : tx1/(t) = ainxn(t) n=1 tX(t) =a2nXn(t) n=1 N. tX(t) =aknXn(t) n=1 N. t4(t) =aNnXn(t) n=1 Et le gain réalisé est donné par : Elsp 2, il y a m+1 équations à écrire. Une première équation pour exprimer que le produit scalaire de la fonction /in par elle-même qui est égale à un : Sinan = 1 et m équations pour exprimer l'orthogonalité de la fonction /in avec le jeu de fonctions {/k}o REVENDICATIONS1) 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, - 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 chaque impulsion ultra large bande d'indice n est représentée par la formule suivante : /n(t) = P(t)G(t) Avec : P(t) : Polynôme de degré n (Pn(t) = Etiol ak,ntk) où ak,, 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, t2 G (t) : Fonction gaussienne (G (t) = 1 e 0- 3) Procédé selon la revendication 2, 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. 3034933 19 4) Procédé selon la revendication 1 ou 2, 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 a(t), (t) et y(t), et dans lequel : r2 a(t) = e 22 VUO- 5 où K est un coefficient de normalisation et a est l'écart type d'une Gaussienne. K (t) = t r2 e 2cr2 2 t2 y(t) = 2-jo- (1 - 2 (-a) ) e 20-2 r 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le procédé comporte en outre l'étape de réception de la position de la balise. 10 6) Procédé selon la revendication 5, 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. 15 7) 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 20 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 25 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. 3034933 20 8) 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 5 - 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. 10 9) 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, 15 - 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.