Indoor mapping


Comment fonctionne la géolocalisation en intérieur ?



Les bases de la géolocalisation

Avant d’aborder la question de la géolocalisation en intérieur, il est important de comprendre son fonctionnement en extérieur. Fondamentalement il existe deux modes de calcul de la position. Le premier consiste à déterminer une position précise à un instant donné. On parle alors de position absolue. La terre est une sphère et il est d’usage d’exprimer les coordonnées (sphériques) d’un point à la surface du globe par deux nombres, la latitude et la longitude, éventuellement complétés par l’altitude.



how indoor positioning works

Pendant des siècles la détermination de la position a été une opération complexe et souvent imprécise. Les navigateurs utilisaient un sextant pour mesurer la latitude, c’est-à-dire l’angle entre le soleil à midi et l’horizon ainsi qu'une horloge précise pour déterminer la longitude, c’est-à-dire le décalage angulaire avec le méridien de Greenwich. Ces techniques ne pouvaient être utilisées qu’à certaines périodes de la journée et dans de bonnes conditions météorologiques.



how indoor maps works

A partir des années 70 pour les militaires, puis des années 80 pour les civils est apparu le positionnement par satellite GPS. Le GPS repose sur une constellation d’environ 32 satellites dont la position est connue et qui embarquent des horloges atomiques qui sont synchronisées entre elles. Chaque satellite diffuse en continu un signal radio unique comprenant l’heure de son horloge atomique. Un récepteur situé sur terre reçoit simultanément les signaux de plusieurs satellites. Puisque les ondes radios voyagent à une vitesse connue et constante, le récepteur va recevoir des signaux avec des heures différentes pour chacun des satellites. Ainsi, il est possible de calculer la distance entre le récepteur et chaque satellite.



how indoor location works

La détermination de la position fait ensuite intervenir un algorithme appelé trilatération. Il permet de calculer la position d’un point connaissant les distances de ce point avec plusieurs autre points connus. Il est nécessaire de disposer d’au moins 3 distances pour situer un point sur un plan et de 4 distances sur une sphère. Cet algorithme est très important car il est à la base de presque toutes les solutions de géolocalisation, que ce soit en intérieur ou en extérieur. Il ne doit pas être confondu avec la triangulation utilisée par les géomètres et qui se base non pas sur la mesure des distances mais sur la mesure des angles.



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Le second mode de positionnement est relatif, il consiste à calculer la quantité de mouvement effectué depuis un point de départ dont les coordonnées sont connues. Ce procédé aussi appelé navigation à l’estime dans le domaine de l’aviation se base sur une centrale inertielle. Cet équipement combine l’utilisation de gyroscopes et d’accéléromètres pour calculer la distance parcourue. Ce type d’équipement est d’un usage habituel lorsqu’il est nécessaire d’obtenir une position précise et continue, comme pour les bateaux, les avions, les fusées spatiales, les missiles ou les voitures.

Qu’en est-il du positionnement intérieur ?

Le positionnement intérieur est un sujet très complexe car les technologies ordinairement utilisées à l’extérieur ne fonctionnent pas à l’intérieur des bâtiments. Bloquées par les murs et les toits des bâtiments, les ondes GPS ne parviennent pas jusqu’aux récepteurs. Cela entraîne une importante perte de précision, qui peut atteindre plusieurs dizaines de mètres. De plus, le GPS est incapable de définir l’étage auquel le récepteur est situé, sans parler du problème de l’absence de signal en sous-sol. Par ailleurs, la navigation à l’estime est quasiment impossible à utiliser à l’intérieur à cause de la taille de la centrale inertielle. Il existe un lien direct entre la taille d’une centrale inertielle et sa précision : plus la centrale inertielle est petite, moins la précision est bonne. La plupart des cas d’utilisation de positionnement intérieur concernent des smartphones. Il est donc nécessaire d’employer une alternative aux centrales inertielles classiques, qui sont trop grandes pour être intégrées dans des smartphones.

Les technologies de positionnement intérieur peuvent être classées dans les quatre catégories principales suivantes : la proximité, la trilatération, le fingerprinting et le movement. Certaines de ces technologies peuvent être utilisées seules, mais elles peuvent aussi être combinées pour fournir une meilleure précision.

Le positionnement de proximité se base sur le contact direct ou la proximité entre le système et le récepteur. La plupart du temps, il est utilisé côté client, sauf pour le Wi-Fi, qui a des capacités de détection côté serveur. Voici quelques technologies possibles :

  • Les QR Codes / Tags NFC peuvent être lus par les appareils photo des smartphones ou par des lecteurs NFC. Les QR Codes / autocollants NFC sont ensuite liés à une position précise à l’intérieur du bâtiment.
  • Les balises BLE, appelées aussi beacons en anglais. Un beacon envoie un signal qui peut être lu lorsque le smartphone est situé dans la zone d’émission. Plus il y a de beacons déployés, plus la position est précise. La position de l’utilisateur est ensuite associée à la localisation de la balise BLE qui émet le signal le plus fort.
  • Le Li-Fi, ou balises VLC (Visible Light Communication). Une lampe LED envoie un signal invisible qui peut être lu par les appareils photos des smartphones ou par des récepteurs dédiés. Chaque lampe possède un identifiant unique qui peut être lu uniquement lorsque l’utilisateur se situe juste en-dessous, ce qui permet d’obtenir facilement une position précise.
  • Les points d’accès Wi-Fi peuvent être utilisés pour localiser un smartphone ou toutes sortes de dispositifs compatibles avec le Wi-Fi. La position de l’utilisateur est déterminée de la même façon qu’avec les balises BLE.
  • Les appareils à ultrasons sont généralement déployés au-dessus des systèmes audio existants dans les magasins ou les centres commerciaux. Là aussi, la localisation de proximité fonctionne de la même manière que le positionnement de proximité par balises BLE ou par Wi-Fi.

Le positionnement par trilatération utilise des distances calculées entre plusieurs émetteurs et un récepteur pour calculer la position de ce dernier. Les distances sont déterminées soit par algorithme RSSI ou TOF. Le RSSI (Relative received Signal Strength Indication) permet de calculer la distance en se basant sur l’atténuation des ondes radio qui suit la loi physique de l’inverse du carré. Cette technique n’implique pas de calculs complexes pour définir la distance, mais elle s’avère peu précise, car elle est sensible aux obstacles comme les murs, les portes ou même les personnes. L’algorithme TOF, ou temps de vol, mesure la distance entre un émetteur et un récepteur en se basant sur la différence de temps entre l’émission d’un signal et son retour à l’émetteur. Contrairement au RSSI, le temps de vol implique une communication aller-retour et des procédés complexes de traitement de signaux qui nécessitent des chipsets dédiés. Cette technique apporte une meilleure précision mais au prix de coûts plus élevés. Les technologies qui utilisent la trilatération sont les suivantes :

  • Les balises BLE et les ultrasons, qui sont des technologies de proximité, peuvent aussi être utilisées pour fournir un positionnement basé sur la trilatération. Les distances sont calculées côté client en utilisant le RSSI.
  • Le Wi-Fi peut utiliser la trilatération soit côté client (sur Android uniquement) ou côté serveur. La précision est bien meilleure côté serveur, mais ces services de localisation ne sont possibles qu’en utilisant un équipement Wi-Fi haut-de-gamme (par exemple Cisco CMX ou Cisco Meraki). Les distances sont généralement calculées en utilisant le RSSI mais une extension du standard 802.11 fournira un support temps de vol dans un futur proche.
  • La technologie à ultra-large bande, ou UWB, est une technologie émergente qui fournit des positions très précises grâce à l’utilisation du temps de vol pour calculer les distances entre récepteur et émetteurs. Cependant, cette technologie présente plusieurs inconvénients. Son manque de standardisation entraîne un manque de disponibilité de smartphone et des coûts élevés.

Les technologies de positionnement par fingerprinting utilisent des enregistrements de signaux dans les bâtiments pour calculer une position. Cette technique est basée sur l’hypothèse que pour chaque position il existe un signal quasiment unique qui peut être enregistré. Il est ensuite possible de comparer les signaux reçus avec les enregistrements existants pour déterminer la position actuelle. Le fingerprinting présente néanmoins plusieurs inconvénients. Il ne peut fonctionner qu’avec un récepteur en mouvement et il exige une stabilité des signaux dans le temps. Cette technique peut être utilisée seule, ou peut être utilisée pour améliorer la précision d’autres technologies de positionnement, en général basées sur la trilatération. Il est également possible de combiner simultanément le fingerprinting provenant de sources multiples pour accroître la précision. Les technologies qui peuvent bénéficier du fingerprinting sont les suivantes :

  • Le fingerprinting par balises BLE fonctionne très bien car il peut être effectué côté client et les signaux BLE sont stables dans le temps.
  • Le fingerprinting par Wi-Fi fonctionne aussi bien que les balises BLE, mais il ne peut pas être utilisé sur les appareils iOS à cause des contraintes d’Apple. C’est la raison pour laquelle il n’est utilisé que sur smartphones Android et sur des appareils de pistage spécifiques utilisés par les services de renseignement et de police pour contourner les brouilleurs GPS.
  • Le fingerprinting par champ magnétique utilise les variations uniques du champ magnétique terrestre causées par les parties métalliques des constructions. Cette technique s’avère efficace mais n’est pas stable dans le temps à cause des multiples facteurs qui sont impliqués (variations du champ terrestre, déplacements des équipements, etc.)
  • Le fingerprinting photo est basé sur l’analyse d’images à l’intérieur des bâtiments. Il est efficace lorsque le contenu des différents étages présente des différences significatives. Cependant, cette technique n’est pas stable dans le temps, sauf lorsque les données proviennent de caméras haute résolution placées dans les bâtiments et capables de rafraîchir fréquemment les enregistrements.

Le positionnement par mouvement à l’intérieur et à l’extérieur des bâtiments fonctionne sur les mêmes principes mais grâce à des technologies différentes. Puisqu’il n’est pas possible d’utiliser les centrales inertielles traditionnelles, les capteurs des smartphones sont donc utilisés pour détecter et quantifier les mouvements. Les capteurs présents dans la plupart des smartphones sont la boussole, l’accéléromètre, le baromètre, et le podomètre. Des algorithmes tels que le filtre de Kalman traitent les données qui proviennent de ces capteurs pour calculer le mouvement relatif. Le problème de cette technique est que la petite taille des capteurs et la cumulation des erreurs entraînent un manque de précision. Il va sans dire que le niveau de précision de cette technique est bien plus faible qu’avec une centrale inertielle. Comme pour le fingerprinting, le positionnement par mouvement est plus fréquemment utilisé pour suppléer le positionnement par trilatération que de façon autonome.

Indoor maps and wayfinding

Conclusion

Le positionnement intérieur est un sujet très complexe qui ne peut être résolu avec une technologie unique, contrairement au GPS à l’extérieur. Les meilleurs fournisseurs s’appuient sur l’approche de la fusion de capteurs, qui combine plusieurs technologies pour obtenir la meilleure précision possible. La plupart du temps, ils utilisent la trilatération pour définir une position absolue, parfois couplée au fingerprinting pour accroître la précision. Ils utilisent ensuite le positionnement par mouvement pour déplacer le point bleu jusqu’à ce qu’ils obtiennent suffisamment de variations de signaux pour calculer une nouvelle position absolue. Ainsi, ils peuvent préserver les batteries des smartphones, car l’analyse intensive des ondes radios, qu’elles impliquent l’utilisation de balises BLE ou de Wi-Fi, est très énergivore. Le positionnement de proximité implique à la fois des coûts minimes et un faible niveau de technologie pour définir une position. Même si cette technique est très simple, elle peut s’avérer suffisante dans certains contextes, car tous les projets ne demandent pas un niveau très élevé de précision, sans parler du budget nécessaire pour obtenir une haute précision. Enfin, le courant actuel dans le domaine du positionnement intérieur consiste à réutiliser les infrastructures existantes plutôt que d’en déployer de nouvelles, ce qui limite les coûts globaux. Par exemple, les points d’accès Wi-Fi peuvent être utilisés pour fournir à la fois un accès internet et un positionnement intérieur, surtout que la plupart d’entre eux possèdent à présent des chipsets BLE. Il en est de même pour les lampes Li-Fi qui peuvent intégrer des chipsets BLE et divers capteurs.

Les points clés à retenir :

  • Les technologies de positionnement fournissent une position absolue ou relative.
  • À l’intérieur, les technologies GPS ne fonctionnent pas correctement car la précision n’est pas suffisante.
  • La plupart des fournisseurs s’appuient sur l’atténuation de signaux ainsi que sur la trilatération pour calculer une position.
  • Le fingerprinting et le positionnement par motion sont à utiliser de préférence pour améliorer la précision d’autres techniques de positionnement intérieur.
  • Les meilleurs fournisseurs s’appuient sur la fusion de capteurs, ce qui signifie qu’ils combinent plusieurs technologies pour obtenir la meilleure précision possible.