Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Analyse de l’apport des nouvelles constellations GNSS, des nouveaux signaux et services précis, et des cartes 3D avancées, en géolocalisation urbaine

Laboratoire principal - Référent principal COSYS - SII  -  BETAILLE David      tél. : +33 240845623

Directeur du laboratoire principal LE CAM Vincent  -

Spécialité de la thèse Automatique et traitement du signal

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale Mathématiques et Sciences et Technologies du numérique, de l'Information et de la Communication (MaSTIC)

Directeur de thèse prévu BETAILLE David  -  Université Gustave Eiffel  -  COSYS - SII

Type de financement prévu Thèse sur contrat  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Les applications des systèmes de localisation par satellites GNSS sont de plus en plus nombreuses dans les systèmes de transports terrestres, qu’ils soient routiers ou ferroviaires. Les applications futures exigent cependant des performances de plus en plus exigeantes en termes de précision mais aussi d’intégrité. C’est en particulier le cas dans les développements des véhicules autonomes (voitures ou trains) ou des systèmes hautement critiques pour la sécurité comme la signalisation ferroviaire.
Ces systèmes sont aussi utilisés dans des environnements complexes pour la réception des signaux GNSS tels que les environnements urbains ou les tranchées ferroviaires, dans lesquels les phénomènes locaux présentent une source d’erreur non négligeable.
Les travaux de [Zhu 2018] ont montré que la combinaison de modèles d’erreurs adaptés aux phénomènes locaux et de techniques de détection et d'exclusion des défauts (FDE) permettaient à la fois de réduire l’imprécision des positions estimées mais aussi d’améliorer la surveillance de l’intégrité de la solution GPS en assurant l’exclusion des erreurs résiduelles non acceptables.
Avec le déploiement des nouvelles constellations (tout particulièrement Galileo) et de nouveaux signaux (ceux plus robustes aux multi-trajets dans Galileo notamment), et dans la suite de des travaux précités, il convient d’explorer le potentiel de ces solutions aux systèmes multi-constellations et multi-fréquences. Le travail de thèse proposé ici consiste donc, dans un premier temps, à adapter les algorithmes à ces nouvelles configurations et à évaluer leurs performances après avoir réalisé une campagne de mesures et constitué une base de données de test.
Les techniques de positionnement par satellites visées utiliseront la phase de la porteuse en PPP (Precise Point Positioning), c'est-à-dire en autonomie. La technique RTK la plus précise aujourd’hui repose sur de l'interférométrie entre deux antennes proches (quelques kilomètres). Les perturbations atmosphériques sont les mêmes pour la base et le mobile. En PPP, il n'y a pas de base. Mais un réseau de bases, combinées, fournissant des corrections pour tout mobile sur zone. PPP ne donne pas en quelques secondes comme RTK une solution centimétrique. Il y a un temps de convergence plus ou moins long. Les recherches actuelles dans le projet H2020 eMaps seront utilisées.

Dans un deuxième temps, nous proposons d’aborder la contribution de la carte à ces solutions. Dans les travaux de [Zhu, 2018] une carte 3D a été utilisée afin de détecter d’une part l’état de réception des signaux reçus et d’autre part d’estimer le retard causé par la réception en NLOS par lancer de rayons afin de le corriger. Ces détection et correction ont été réalisées à partir d’une connaissance de la position vraie dans la carte, c'est-à-dire fournie par le système de trajectométrie de référence (une centrale inertielle couplée à du GNSS PPK), dont on ne dispose pas a priori. Ces calculs (le lancer de rayons) doivent être faits à partir d’une position approximative, qu’on peut par exemple inférer en temps réel par filtrage de Kalman. Cette position peut aussi être projetée (map-matchée) sur différentes hypothèses de voies de circulation [Bétaille, 2017].
Dans cette nouvelle thèse, nous souhaitons explorer le potentiel d’une solution map-matchée pour améliorer et simplifier l’utilisation de la carte pour l’étape de lancer de rayons.
Enfin, nous poserons le cadre d’un concept de surveillance de l‘intégrité d’une position map-matchée afin de fournir à l’utilisateur un ensemble d’informations {Id_route ; Id_voie ; ATPL}, càd : identifiants de la route et de la voie de circulation sur route multi-voies, associés à un niveau de protection longitudinal (along track) caractérisant les bornes d’erreur de localisation sur cette voie.

En conclusion, l’apport de la carte 3D a été montré jusque là sous hypothèse que l’on soit assez précis pour bien rechercher les bâtiments proches dans cette carte. Car c’est un problème de poule et d’œuf. D’ailleurs, la plupart des travaux publiés utilisent la position vraie (ground truth) pour lire la carte au mieux. (Cette position vraie étant obtenue, par exemple, grâce à des équipements sophistiqués, tels une centrale inertielle.) Or, en pratique, ceci n’est pas faisable.

Il faut donc se donner les moyens d’un positionnement assez précis pour lire la carte, et pas trop couteux pour le marché automotive. D’où l’originalité, dans cette thèse, de tirer partie de toutes les constellations, pas seulement GPS, et toutes les fréquences, pas seulement L1. Cette thèse pourrait, si les résultats montrent une preuve de concept satisfaisante, intéresser des manufacturiers comme Ublox pour valorisation.

Enfin, outre la précision, c’est aussi l’intégrité, c’est à dire la capacité de l’algorithme à proprement estimer l’erreur qu’il fait, que l’on veut investiguer. Là aussi, bien des travaux passés montrent des résultats, mais aucun ne prouve que c’est bel et bien la carte 3D qui améliore l’intégrité. Car les propositions d’amélioration y sont mélangées et l’on ne sait jamais ce qui est vraiment dû à la carte, toutes choses égales par ailleurs.

Mots-clefs: Mots-clefs : Géopositionnement, GNSS, Qualité de service, intégrité, fusion de données, estimation Bayésienne, cartes numériques, map-matching, positionnement au niveau de la voie

Laboratoire principal - Référent principal	COSYS - SII - BETAILLE David tél. : +33 240845623
Directeur du laboratoire principal	LE CAM Vincent -
Spécialité de la thèse	Automatique et traitement du signal
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	Mathématiques et Sciences et Technologies du numérique, de l'Information et de la Communication (MaSTIC)
Directeur de thèse prévu	BETAILLE David - Université Gustave Eiffel - COSYS - SII
Type de financement prévu	Thèse sur contrat - Université Gustave Eiffel
Résumé Les applications des systèmes de localisation par satellites GNSS sont de plus en plus nombreuses dans les systèmes de transports terrestres, qu’ils soient routiers ou ferroviaires. Les applications futures exigent cependant des performances de plus en plus exigeantes en termes de précision mais aussi d’intégrité. C’est en particulier le cas dans les développements des véhicules autonomes (voitures ou trains) ou des systèmes hautement critiques pour la sécurité comme la signalisation ferroviaire. Ces systèmes sont aussi utilisés dans des environnements complexes pour la réception des signaux GNSS tels que les environnements urbains ou les tranchées ferroviaires, dans lesquels les phénomènes locaux présentent une source d’erreur non négligeable. Les travaux de [Zhu 2018] ont montré que la combinaison de modèles d’erreurs adaptés aux phénomènes locaux et de techniques de détection et d'exclusion des défauts (FDE) permettaient à la fois de réduire l’imprécision des positions estimées mais aussi d’améliorer la surveillance de l’intégrité de la solution GPS en assurant l’exclusion des erreurs résiduelles non acceptables. Avec le déploiement des nouvelles constellations (tout particulièrement Galileo) et de nouveaux signaux (ceux plus robustes aux multi-trajets dans Galileo notamment), et dans la suite de des travaux précités, il convient d’explorer le potentiel de ces solutions aux systèmes multi-constellations et multi-fréquences. Le travail de thèse proposé ici consiste donc, dans un premier temps, à adapter les algorithmes à ces nouvelles configurations et à évaluer leurs performances après avoir réalisé une campagne de mesures et constitué une base de données de test. Les techniques de positionnement par satellites visées utiliseront la phase de la porteuse en PPP (Precise Point Positioning), c'est-à-dire en autonomie. La technique RTK la plus précise aujourd’hui repose sur de l'interférométrie entre deux antennes proches (quelques kilomètres). Les perturbations atmosphériques sont les mêmes pour la base et le mobile. En PPP, il n'y a pas de base. Mais un réseau de bases, combinées, fournissant des corrections pour tout mobile sur zone. PPP ne donne pas en quelques secondes comme RTK une solution centimétrique. Il y a un temps de convergence plus ou moins long. Les recherches actuelles dans le projet H2020 eMaps seront utilisées. Dans un deuxième temps, nous proposons d’aborder la contribution de la carte à ces solutions. Dans les travaux de [Zhu, 2018] une carte 3D a été utilisée afin de détecter d’une part l’état de réception des signaux reçus et d’autre part d’estimer le retard causé par la réception en NLOS par lancer de rayons afin de le corriger. Ces détection et correction ont été réalisées à partir d’une connaissance de la position vraie dans la carte, c'est-à-dire fournie par le système de trajectométrie de référence (une centrale inertielle couplée à du GNSS PPK), dont on ne dispose pas a priori. Ces calculs (le lancer de rayons) doivent être faits à partir d’une position approximative, qu’on peut par exemple inférer en temps réel par filtrage de Kalman. Cette position peut aussi être projetée (map-matchée) sur différentes hypothèses de voies de circulation [Bétaille, 2017]. Dans cette nouvelle thèse, nous souhaitons explorer le potentiel d’une solution map-matchée pour améliorer et simplifier l’utilisation de la carte pour l’étape de lancer de rayons. Enfin, nous poserons le cadre d’un concept de surveillance de l‘intégrité d’une position map-matchée afin de fournir à l’utilisateur un ensemble d’informations {Id_route ; Id_voie ; ATPL}, càd : identifiants de la route et de la voie de circulation sur route multi-voies, associés à un niveau de protection longitudinal (along track) caractérisant les bornes d’erreur de localisation sur cette voie. En conclusion, l’apport de la carte 3D a été montré jusque là sous hypothèse que l’on soit assez précis pour bien rechercher les bâtiments proches dans cette carte. Car c’est un problème de poule et d’œuf. D’ailleurs, la plupart des travaux publiés utilisent la position vraie (ground truth) pour lire la carte au mieux. (Cette position vraie étant obtenue, par exemple, grâce à des équipements sophistiqués, tels une centrale inertielle.) Or, en pratique, ceci n’est pas faisable. Il faut donc se donner les moyens d’un positionnement assez précis pour lire la carte, et pas trop couteux pour le marché automotive. D’où l’originalité, dans cette thèse, de tirer partie de toutes les constellations, pas seulement GPS, et toutes les fréquences, pas seulement L1. Cette thèse pourrait, si les résultats montrent une preuve de concept satisfaisante, intéresser des manufacturiers comme Ublox pour valorisation. Enfin, outre la précision, c’est aussi l’intégrité, c’est à dire la capacité de l’algorithme à proprement estimer l’erreur qu’il fait, que l’on veut investiguer. Là aussi, bien des travaux passés montrent des résultats, mais aucun ne prouve que c’est bel et bien la carte 3D qui améliore l’intégrité. Car les propositions d’amélioration y sont mélangées et l’on ne sait jamais ce qui est vraiment dû à la carte, toutes choses égales par ailleurs.
Mots-clefs:	Mots-clefs : Géopositionnement, GNSS, Qualité de service, intégrité, fusion de données, estimation Bayésienne, cartes numériques, map-matching, positionnement au niveau de la voie

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