Inertial and radio positioning in challenging environments

• Main Author: Patarot, Alexandre
• Other Authors: Evry, Institut national des télécommunications
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: INS; GNSS; MEMS; Quaternions; Jerk; Radio logicielle; Navigation à l'estime pédestre; Système de positionnement en intérieur; Technologie portable; Software radio; Pedestrian deadreckoning; Indoor positioning; Wearable sensors
• Online Access: http://www.theses.fr/2015TELE0014

Les systèmes de navigation par satellites permettent les applications de positionnement en extérieur, dont la navigation routière. Dans les environnements contraints, comme l'intérieur des bâtiments où ces signaux satellitaires sont dégradés, la continuité du service de positionnement est nécessaire. Les applications adaptées aux citoyens modernes avec leurs appareils nomades posent des contraintes fortes de mobilité, de coûts et de limitations des infrastructures existantes. Les larges possibilités de déplacements dans des environnements hétérogènes accroissent les difficultés. Un état de l'art alimenté par une décennie de travaux académiques et industriels présente un ensemble de technologies qui visent disponibilité et performance. L'accent porte ensuite sur les systèmes inertiels pédestres à bas coût, avec une première contribution permettant d'abandonner la détection de pas au profit d'une mobilité facilitée, mais reste limitée par la connaissance de la distance parcourue pendant une phase de calibration. Cette approche nouvelle est confrontée à celle classique au pied, puis éprouvée pour différents capteurs et piétons au travers d'expérimentations répétées en conditions réalistes. Une seconde contribution décline une constellation radio locale pour estimer la distance avec une infrastructure allégée à deux émetteurs. Elle s’inspire d’une conception satellitaire sur radio programmable pour faciliter sa compatibilité avec l’existant et explorer ses performances. Une surveillance du rapport signal à bruit inter-canal améliore la précision du positionnement. Le couplage de ces systèmes asynchrones et distribués est évalué en intérieur sur une plateforme automatisée === The global navigation satellite systems allow outdoor positioning applications, including car navigation. In challenging environments, such as the buildings where satellite signals are mitigated, georeferenced points of interest or navigation applications require a continuity of the positioning service. The applications adapted to modern citizens and their mobile devices raise strong constraints on mobility, costs and limitations of the existing infrastructure. The wide variety of displacements in heterogeneous environments increases the challenge. A state of the art fed by a decade of academic and industrial works presents a set of technologies that target availability and performance. The emphasis follows on the low cost pedestrian inertial systems, with a first contribution allowing to give up the step detection for the benefit of an easier mobility, but remains limited to the knowledge of the distance traveled during a calibration phase. This new approach is compared with the classical foot-mounted approach, and then benchmarked with several sensors and pedestrians through repeated experiments in real conditions. A second contribution operates a local radio constellation to estimate the distance with a minimal infrastructure with two emitters. The signals and the algorithm are based on a reproduction of satellite systems to ease the compatibility but are implemented on a programmable radio to explore the performances. A monitoring of the difference of carrier to noise ratio between the radio channels improves the distance estimation. The hybridization of these distributed, asynchronous and multi-rates inertial and radio systems is evaluated indoor on a motorized platform