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EP-4283324-B1 - METHOD AND SYSTEM FOR LOCATING A MOBILE NODE BY RADIO MEASUREMENTS USING A VISIBILITY MAP

EP4283324B1EP 4283324 B1EP4283324 B1EP 4283324B1EP-4283324-B1

Inventors

  • VILLIEN, CHRISTOPHE

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230524

Claims (14)

  1. Method for locating a mobile node (NM) in a given area, using reference nodes, the positions of which are known in said area, comprising at least one iteration of the steps of: a) creating, for each reference node ( N j ), a visibility map ( C j ) comprising, for a plurality of cells ( P i ) of the visibility map ( C j ), a visibility indicator ( l ij ) corresponding to a line-of-sight radio propagation between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ); b) providing a set of ranging measurements ( m j ) based on signals transmitted or received by a plurality of reference nodes ( N j ); c) computing, for each cell ( P i ) of the plurality of cells, a coherence score ( s i ) between the position of the cell ( P i ) and the set of ranging measurements ( m j ), the coherence score ( s i ) being computed, for each reference node ( N j ), on the basis of the visibility indicator ( l ij ) between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ) identified by the ranging measurement ( m j ); d) determining the position of the mobile node (NM) as a function of the coherence score ( s i ) of each cell ( P i ), characterized in that step c) comprises: c1) computing, for each ranging measurement ( m j ) and each cell ( P i ), a confidence index ( σ ij ) of the ranging measurement ( m j ) at the cell ( P i ) on the basis of the visibility indicator ( l ij ) between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ) identified by the ranging measurement ( m j ); c2) computing, for each ranging measurement ( m j ), a normalized residual ( δ ij N ) corresponding to a difference between the ranging measurement ( m j ) and the distance ( d ij ) between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ), related to the confidence index ( σ ij ); c3) computing the coherence score ( s i ) between the position of the cell ( P i ) and the set of ranging measurements ( m j ), on the basis of the normalized residuals ( δ ij N ) associated with each of the reference nodes ( N j ).
  2. Method according to claim 1, wherein the visibility indicator ( l ij ) has a binary value indicating a situation involving a line-of-sight radio propagation or a situation not involving a line-of-sight radio propagation.
  3. Method according to claim 1, wherein the visibility indicator l ij between the cell P i and the reference node N j has a continuous value, defined by: l ij = 1 − b int b max if b int < b max 0 otherwise wherein b int corresponds to an obstruction length of a segment between the cell P i and the reference node N j , and b max corresponds to a predefined maximum length.
  4. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein the confidence index σ ij is computed according to the formula: σ ij = σ 0 + (1- l ij ) σ 1 , wherein l ij corresponds to the visibility indicator between the cell P i and the reference node N j , and σ 0 and σ 1 correspond to predetermined values.
  5. Method according to any one of claims 1 to 3, wherein the confidence index, for a reference node ( N j ), is equal to a constant value independently of the visibility indicator if the altitude of a reference node ( N j ) is higher than a predefined altitude.
  6. Method according to any one of claims 1 to 5, wherein, if a visibility indicator is not available for a cell ( P i ) of the visibility map ( C j ), the available visibility indicator ( l ij ) of the nearest cell is used to compute the confidence index ( σ ij ).
  7. Method according to any one of the preceding claims, wherein, in the absence of synchronization between all the reference nodes N j , the normalized residual δ ij N is computed according to the formula: δ ij N = m j − d ij − Δ i σ ij where m j corresponds to the ranging measurement, d ij corresponds to the distance between the cell P i and the reference node N j , σ ij corresponds to the confidence index associated with the measurement m j at the position of the cell P i , and Δ i corresponds to a synchronization error value between all the reference nodes N j for the cell P i .
  8. Method according to any one of claims 1 to 7, wherein a bias value is associated with at least one cell, the bias value corresponding, for said cell, to a normalized residual ( δ ij N ) that is constant and greater than a predetermined threshold observed for a plurality of previous iterations of the method, and wherein the bias value is subtracted from the ranging measurement ( m j ) during the sub-step c2).
  9. Method according to any one of claims 1 to 8, wherein the coherence score s i is computed according to the formula: s i = K exp − 1 2 Σ M j = 1 δ ij N 2 where K is a normalization constant.
  10. Method according to any of the preceding claims, wherein the coherence score s i at a time t is also computed as a function of the coherence score s i at a time t - 1.
  11. Method according to any of the preceding claims, wherein - the visibility map ( C j ) is subdivided into a plurality of areas; - an average coherence score is computed for each area, based on the average of the coherence scores of the cells in the area; - the position of the mobile node (NM) corresponds to the cell ( P i ) for which the coherence score ( s i ) is maximum, in the area with the maximum average coherence score.
  12. System for locating a mobile node (NM) in a given area, using reference nodes, the positions of which are known in said area, the system being configured for: a) creating, for each reference node ( N j ), a visibility map ( C j ) comprising, for a plurality of cells ( P i ) of the visibility map ( C j ), a visibility indicator ( l ij ) corresponding to a line-of-sight radio propagation between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ); b) providing a set of ranging measurements ( m j ) based on signals transmitted or received by a plurality of reference nodes ( N j ); c) computing, for each cell ( P i ) of the plurality of cells, a coherence score ( s i ) between the position of the cell ( P i ) and the set of ranging measurements ( m j ), the coherence score ( s i ) being computed, for each reference node ( N j ), on the basis of the visibility indicator ( l ij ) between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ) identified by the ranging measurement ( m j ); d) determining the position of the mobile node (NM) as a function of the coherence score ( s i ) of each cell ( P i ); characterized in that the system is further configured to: c1) computing, for each ranging measurement ( m j ) and each cell ( P i ), a confidence index ( σ ij ) of the ranging measurement ( m j ) at the cell ( P i ) on the basis of the visibility indicator ( l ij ) between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ) identified by the ranging measurement ( m j ); c2) computing, for each ranging measurement ( m j ), a normalized residual ( δ ij N ) corresponding to a difference between the ranging measurement ( m j ) and the distance ( d ij ) between the cell ( P i ) and the reference node ( N j ), related to the confidence index ( σ ij ); c3) computing the coherence score ( s i ) between the position of the cell ( P i ) and the set of ranging measurements ( m j ), on the basis of the normalized residuals δ ij N ) associated with each of the reference nodes ( N j ).
  13. System according to claim 12, wherein the mobile node (NM) is a transmitter tag, and the reference nodes ( N j ) are anchors.
  14. System according to claim 12, wherein the mobile node (NM) is a radionavigation receiver, and the reference nodes ( N j ) are satellites.

Description

Domaine technique L'invention concerne un procédé et un système de localisation d'un nœud mobile dans une zone donnée, utilisant des positions connues de nœuds de référence. Le domaine technique de l'invention est celui de la localisation à partir de signaux radios. Il concerne plus précisément les méthodes utilisant le temps de vol de l'onde électromagnétique. Comme illustré par la figure 1, les méthodes de localisation existantes consistent à mesurer le temps de vol du signal entre des nœuds de référence (A1, A2, A3), dont la position est généralement connue, et un nœud mobile TM, dont on cherche à déterminer la position. Par exemple dans un réseau LPWAN (Low Power Wide Area Network, ou réseau faible consommation longue portée en français), le nœud de référence correspond à une ancre, c'est-à-dire un dispositif dont la position est connue et fixe, et le nœud mobile correspond à un « tag » (ou étiquette). Le tag est classiquement fixé à un objet de façon à transmettre des données de télémesure. Dans un réseau cellulaire, le nœud de référence correspond à une station de base, et le nœud mobile peut être un téléphone cellulaire. Dans un système de radionavigation par satellite, le nœud de référence correspond à un satellite (sa position est connue), et le nœud mobile peut être un récepteur de radionavigation. Connaissant la vitesse de propagation des ondes, qui est égale à celle de la lumière, il est possible de déterminer la distance parcourue par celle-ci et donc, la distance séparant les nœuds fixes du nœud mobile. Il est alors fait référence à une mesure de « ranging », ce qui correspond à la mesure de temps de vol entre deux dispositifs, à la mesure de distance correspondante, ou encore à une pseudo-distance. La localisation d'un nœud mobile est donc un problème classique de trilatération tel qu'illustré sur la figure 1, dont les inconnues (dans cet exemple en deux dimensions : x,y) répondent aux équations suivantes : d1=x−xa12+y−ya12d2=x−xa22+y−ya22d3=x−xa32+y−ya32 La mesure précise du temps de vol requiert cependant que les horloges des nœuds fixes et du nœud mobile soient parfaitement synchronisées (avec une précision typiquement comprise entre 1 ns et 100 ns), une erreur de synchronisation d'une nanoseconde conduisant à une erreur de mesure de distance de 30 cm environ. Cependant, cette synchronisation précise n'est généralement pas possible, et conduit à une description des mesures mi comprenant une inconnue supplémentaire Δi traduisant ce défaut de synchronisation. De plus, ces mesures peuvent être entachées d'autres erreurs εi causées par exemple par le bruit de mesure et par les réflexions de l'onde. Dans le cas général, le système d'équations [Math1] devient : m1=d1+Δ1+ε1m2=d2+Δ2+ε2m3=d3+Δ3+ε3 Il existe différentes techniques permettant de contourner le problème de synchronisation et de lever les inconnues Δi traduisant ce défaut de synchronisation. Selon l'environnement dans lequel l'onde se propage, celle-ci peut être réfléchie (on parle de multi-trajet ou multipath) et/ou obstruée. On parle de Line Of Sight (LOS) en cas de propagation de l'onde sur un trajet direct, sans réflexion, entre l'émetteur et le récepteur, et de Non-Line Of Sight (NLOS) dans le cas contraire. Ceci se produit par exemple en environnement urbain où les bâtiments peuvent jouer à la fois le rôle d'obstacles et/ou de réflecteurs pour l'onde électromagnétique. La figure 2 illustre ces différentes situations. Le nœud de référence A1 est en situation de LOS sans multi-trajet par rapport au nœud mobile TM car il ne reçoit que le trajet direct, sans trajet réfléchi. Le nœud de référence A2 est en situation de LOS avec multi-trajet par rapport au nœud mobile TM car il reçoit le trajet direct t2A ainsi qu'un trajet réfléchi t2B. Le nœud de référence A3 est en situation de NLOS avec multi-trajet par rapport au nœud mobile TM car il ne reçoit pas le trajet direct t3A qui est obstrué par le bâtiment B1 mais il reçoit un trajet réfléchi t3B par le bâtiment B2. Une situation NLOS sans multi-trajet conduit à la non réception du signal puisque celui-ci ne dispose d'aucun chemin pour parvenir à sa destination. Dans la représentation de la figure 2, la mesure effectuée par le nœud de référence A1 peut être considérée comme la plus fiable car elle ne subit aucune perturbation dans sa propagation. L'erreur associée (ε1) est dans ce cas principalement déterminée par le bruit de la mesure, ce qui constitue une erreur minimale. Par exemple, pour une forme d'onde de type LoRa, l'erreur causée par le bruit seul est typiquement de l'ordre de la centaine de mètres (entre 10 m et 300 m). La mesure effectuée par le terminal fixe A2 peut être perturbée par la présence du multi-trajet. L'erreur engendrée dépend de la capacité du nœud de référence A2 à distinguer le trajet direct du trajet réfléchi (qui arrivera en retard par rapport au trajet direct), ainsi que par la puissance relative de celui-ci par rapport au trajet direct. Il s'agit donc d'une