L'objectif de la thèse est d'améliorer la précision de localisation des personnes (ou objets) dans les environnements où le signal GPS est faible, voire inexistant, par exemple à l'intérieur de bâtiments. L'originalité de ce travail est d'utiliser des signaux radio reçus de sources extérieures pour effectuer la localisation à l'intérieur des bâtiments. Durant ce travail, des mesures des puissances reçues ont été effectuées dans diverses conditions. Étant données les difficultés liées aux processus expérimentaux (incertitude et bruit liés aux mesures), ce dernier point a constitué une première partie de ce travail de thèse. Le traitement et l'interprétation des mesures des puissances de signaux radio dans un environnement de propagation instable ont été un véritable défi durant cette étude. En effet, toutes les porteuses du réseau GSM ont été considérées et aucune hypothèse n'a été posée, à priori, sur leurs pertinences. Une seconde partie de la thèse a été justement consacrée à l'estimation de ces pertinences. Le problème de la détermination de la pièce dans laquelle se trouve le mobile a été considéré comme un problème de classification automatique : des méthodes d'apprentissage statistique (supervisé et semi‐supervisé) ont donc été mises en oeuvre. Le choix des méthodes utilisées a été fait sur la base des études menées sur les mesures des puissances. Des performances très satisfaisantes ont été obtenues, dans les pièces de deux bâtiments différents. Ces résultats ont ainsi confirmé l'apport des méthodes d'apprentissage statistique au problème de localisation par fingerprints.

Les systèmes de positionnement ont connu un progrès indéniable. Actuellement, la précision atteint quelques centimètres sous certaines conditions : espace ouvert, ciel dégagé, technique très spécifique, etc. Néanmoins, le problème du positionnement dans un environnement intérieur demeure persistant : les trajets multiples qui compliquent les modèles de propagation, l'atténuation, etc. Différents systèmes ont vu le jour, utilisant des technologies telles que l'UWB, le WiFi ou l'Infrarouge. Ces systèmes apportent des résultats de positionnement intéressants, atteignant l'ordre du mètre. Cette précision reste liée à certaines contraintes : une infrastructure, une technologie utilisée, une calibration, une technique de calcul, etc. Afin de réduire toutes ces contraintes, nous proposons une nouvelle approche de positionnement. Notre approche utilise tous les équipements réseaux présents dans un environnement. Elle se base sur deux étapes fondamentales : l'étude de visibilité et l'élaboration de liens géographiques. L'étude de visibilité permet d'obtenir les équipements visibles par un équipement. Nous avons exposé plusieurs modèles de visibilité et nous avons effectué une comparaison des résultats. L'élaboration de liens géographiques permet de construire un graphe géographique tridimensionnel reliant tous les équipements de l'environnement. Ce graphe nous permet de visualiser la répartition des équipements et d'estimer les positions géographiques de chaque équipement. Pour la mise en œuvre de notre approche, nous avons développé un simulateur sous Matlab. Le simulateur élaboré évalue d'abord le nombre d'équipements visibles. Il estime les distances séparant cet équipement de chaque équipement visible. Enfin, il construit un graphe géographique et calcul les positions géographiques. Des résultats de simulations sont présentés pour valider notre approche qui permet d'aboutir à un système capable d'opérer, sans aucune infrastructure additionnelle, un positionnement dans un environnement intérieur et extérieur

La thèse propose l'étude de systèmes de constellations locales permettant le positionnement dans des milieux difficiles. Dans ce contexte, il apparaît que les trajets indirects perturbent la mesure du temps de propagation entre l'antenne de l'émetteur et l'antenne du récepteur. L'éblouissement entre les signaux, phénomène d'interférence du CDMA, est exacerbé à cause des distances courtes et des variations de puissance de réception. La thèse apporte des réponses à ces deux problématiques. Pour les trajets indirects nous proposons d'utiliser les mesures de phase de la porteuse qui y sont moins sensibles. Il faut alors solutionner le problème de l'ambiguïté entière sur ces mesures. Une méthode le permet sans avoir recours à une technique différentielle en utilisant une boucle de poursuite insensible aux trajets indirects : la SMICL. Pour l'éblouissement, nous avons développé trois approches. L'une d'elle utilise les séquences de longueurs maximales et permet de réduire notablement son importance. Une deuxième méthode, baptisé Technique de la Double Emission (TDE), permet de supprimer intégralement ces interférences pour une paire d'émetteurs lorsque leurs Doppler respectifs sont égaux. Nous avons étudié le cas où les Doppler sont différents et mis au point une version améliorée de la TDE, la TDE étendue à la porteuse, qui permet de supprimer les influences du Doppler. Nous avons également montré que cette dernière peut s'appliquer à un émetteur fixe en présence d'une constellation de satellites. Une troisième méthode, appelée TDE maximale, utilise à nouveau une séquence de longueur maximale pour étendre la méthode TDE au cas de plusieurs émetteurs en présence.

Les systèmes de positionnement ont connu un progrès indéniable. Actuellement, la précision atteint quelques centimètres sous certaines conditions : espace ouvert, ciel dégagé, technique très spécifique, etc. Néanmoins, le problème du positionnement dans un environnement intérieur demeure persistant : les trajets multiples qui compliquent les modèles de propagation, l'atténuation, etc. Différents systèmes ont vu le jour, utilisant des technologies telles que l'UWB, le WiFi ou l'Infrarouge. Ces systèmes apportent des résultats de positionnement intéressants, atteignant l'ordre du mètre. Cette précision reste liée à certaines contraintes : une infrastructure, une technologie utilisée, une calibration, une technique de calcul, etc. Afin de réduire toutes ces contraintes, nous proposons une nouvelle approche de positionnement. Notre approche utilise tous les équipements réseaux présents dans un environnement. Elle se base sur deux étapes fondamentales : l'étude de visibilité et l'élaboration de liens géographiques. L'étude de visibilité permet d'obtenir les équipements visibles par un équipement. Nous avons exposé plusieurs modèles de visibilité et nous avons effectué une comparaison des résultats. L'élaboration de liens géographiques permet de construire un graphe géographique tridimensionnel reliant tous les équipements de l'environnement. Ce graphe nous permet de visualiser la répartition des équipements et d'estimer les positions géographiques de chaque équipement. Pour la mise en œuvre de notre approche, nous avons développé un simulateur sous Matlab. Le simulateur élaboré évalue d'abord le nombre d'équipements visibles. Il estime les distances séparant cet équipement de chaque équipement visible. Enfin, il construit un graphe géographique et calcul les positions géographiques. Des résultats de simulations sont présentés pour valider notre approche qui permet d'aboutir à un système capable d'opérer, sans aucune infrastructure additionnelle, un positionnement dans un environnement intérieur et extérieur / Positioning systems have undeniably progressed. Currently, in an outdoor environment, the accuracy reaches a few centimetres under certain conditions: open space, clear sky, specific measurement techniques, etc. Nevertheless, the problem of positioning in an indoor environment remains persistent: multipath, attenuation, etc. Different systems for indoor positioning have been developed, using technologies such as UWB, WiFi or Infrared. These systems provide interesting results that could allow to reach one meter accuracy. But, this accuracy is related to many criteria: infrastructure, technology, calibration, technical computing, etc. To reduce these constraints, we propose a new approach for positioning. Our approach utilizes all the network equipments present in an environment. The approach is based on two fundamental steps: the study of visibility and the development of geographical links. The study of visibility estimates the visible equipments in the environment. We have studied several models of visibility and we carried out a comparison of the results. A three-dimensional graph is build using the study of geographical links between equipments. This graph allows us to visualize the distribution of equipments and to estimate the geographic positions of each device. To implement our approach, we developed a simulator in Matlab. The simulator first studies the visible equipments for the unknown device. Then, it estimates the distances between the device and the visible equipments. Finally, it constructs a graph and calculates the geographical positions. Simulation results are presented to validate our approach. Our approach is a positioning system capable of operating without additional infrastructure in an indoor environment

La thèse propose l’étude de systèmes de constellations locales permettant le positionnement dans des milieux difficiles. Dans ce contexte, il apparaît que les trajets indirects perturbent la mesure du temps de propagation entre l’antenne de l’émetteur et l’antenne du récepteur. L’éblouissement entre les signaux, phénomène d’interférence du CDMA, est exacerbé à cause des distances courtes et des variations de puissance de réception. La thèse apporte des réponses à ces deux problématiques. Pour les trajets indirects nous proposons d’utiliser les mesures de phase de la porteuse qui y sont moins sensibles. Il faut alors solutionner le problème de l’ambiguïté entière sur ces mesures. Une méthode le permet sans avoir recours à une technique différentielle en utilisant une boucle de poursuite insensible aux trajets indirects : la SMICL. Pour l’éblouissement, nous avons développé trois approches. L’une d’elle utilise les séquences de longueurs maximales et permet de réduire notablement son importance. Une deuxième méthode, baptisé Technique de la Double Emission (TDE), permet de supprimer intégralement ces interférences pour une paire d’émetteurs lorsque leurs Doppler respectifs sont égaux. Nous avons étudié le cas où les Doppler sont différents et mis au point une version améliorée de la TDE, la TDE étendue à la porteuse, qui permet de supprimer les influences du Doppler. Nous avons également montré que cette dernière peut s’appliquer à un émetteur fixe en présence d’une constellation de satellites. Une troisième méthode, appelée TDE maximale, utilise à nouveau une séquence de longueur maximale pour étendre la méthode TDE au cas de plusieurs émetteurs en présence. / The thesis proposes the study of systems of local constellations for positioning indoors.In this context, it appears that indirect paths disturb the measurement of time delay between the transmitter antenna and receiver antenna. The Near-Far problem between signals, a CDMA interference phenomenon, is exacerbated because of the short distances and variations in received power. The thesis provides answers to these two issues.For indirect multipath we propose to use carrier phase measurements. It must then solve the problem of ambiguity on these measurements. A method without carrying out a differential technique is proposed: a tracking loop insensitive to indirect routes: the SMICL. For the Near-Far problem, we have developed three approaches. One approach uses sequences of maximum length and significantly reduces its influence. A second method, called the Double Transmission Technique (DTT), can completely remove the interference for a pair of transmitters when their respective Doppler are equal. We have studied the case where different Doppler and developed an improved version of the DTT, the DTT extended to the carrier, which eliminates the influence of the Doppler. We also showed that this may also be applied to a fixed transmitter in the presence of a constellation of satellites. A third method, called DTT maximum, again uses a maximum length sequence to extend the method to the case DTT in the presence of several transmitters.

Force est de constater aujourd’hui que la localisation d’un bien ou d’une personne est devenue une nécessité. Plusieurs solutions existent en extérieur, largement dominées par le système GPS. Pour la localisation en intérieur, la précision se dégrade en raison des trajets multiples et de l’atténuation des signaux traversant les murs. Cette thèse se focalise sur la problématique de localisation à l’intérieur d’un bâtiment en utilisant les technologies présentes dans des smartphones et des tablettes fonctionnant sous le système d’exploitation Android disponible dans divers marques. Les systèmes de localisation en intérieur exploitent différents supports tels que les ondes radio-fréquence (RF) ou les capteurs inertiels embarqués dans un terminal. Dans le cas RF, ils utilisent des points références dont la répartition sur la zone couverte influe sur la performance en localisation. Une première contribution est un développement d’algorithme d’optimisation d’emplacement des balises basé sur le recuit simulé. Les signaux extraits des capteurs inertiels sont utilisés par la navigation pédestre à l’estime (NPE) pour déterminer le trajet effectué depuis une position connue. Ils dépendent de la sensibilité des paramètres intrinsèques de ces capteurs et ils sont corrompus par des bruits. Dans le cas NPE, une calibration permet d’obtenir des données exploitables pour l’estimation de l’orientation de déplacement et pour la détection des pas. Cette orientation est supposée identique à celle du terminal mais il y a un intérêt à prendre en compte le biais d’orientation entre les deux. Une autre contribution est une proposition d’algorithme de détection des pas exploitant la logique floue. / Nowadays, the localization of a device or person has become mandatory. If many solutions exist for outdoor environment, as the GPS one, any fails to provide an expected accuracy for indoor environment because of the multipath phenomena and the attenuation of signals crossing walls. This thesis focuses on the localization problem in buildings by using existed technologies in smartphones and tablets managed by Android OS - which is available in several brands. The indoor localization systems are using different technologies like radio-frequency (RF) waves or inertial sensors embedded in handsets. In the RF case, they use anchors or beacons, whose position impacts the localization performance for the covered zone. Our first contribution was the placement optimization of beacons using simulated annealing algorithm. Next to improve the localization performance, the inertial sensors, embedded in smartphones, have been used. The pedestrian dead reckoning (PDR) algorithm employs the extracted signals from the inertial sensors and determines the path done since a known position. These extracted signals are affected by the intrinsic parameters of sensors and they are corrupted by noises. The calibration of the sensors is compulsory to obtain data that could be used to estimate the walking orientation and the number of done steps by the user. It is often supposed that the walking orientation is the same as the smartphone orientation; however it might be interesting to consider the bias between these two orientations. A last contribution, in this thesis, consists on a proposed algorithm for step detection using fuzzy logic.

L'objectif général de cette thèse était de proposer une solution de localisation en intérieur à la fois simple et capable de surmonter les défis de la propagation dans les environnements en intérieur. Pour ce faire, un système de localisation basé sur la méthode des signatures et adoptant le temps d'arrivée du signal de l'émetteur au récepteur comme signature, a été proposé. Le système présente deux architectures différentes, une première orientée privée utilisant la méthode d'accès multiple à répartition par code et une deuxième centralisée basée sur la méthode d'accès multiple à répartition dans le temps. Le système calcule la position de l'objet d'intérêt par la méthode de noyau. Une comparaison expérimentale entre le système à architecture orientée privée et un système de localisation sonore déjà existant et basé sur la méthode de trilatération, a permis de confirmer les résultats trouvés dans le cas de la localisation par ondes radiofréquences. Cependant, nos expérimentations étaient les premières à montrer l'effet de la réverbération sur les approches de la localisation acoustique. Dans un second lieu, un système de localisation basé sur la technique de retournement temporel, permettant une localisation simultanée de sources avec différentes précisions, a été testé par simulations en faisant varier le nombre de sources. Ce système a été ensuite validé par expérimentations. Dans la dernière partie de notre étude, nous nous sommes intéressés à la réduction de l'audibilité du signal utile à la localisation par recours à la psycho-acoustique. Un filtre défini à partir du seuil d'audition absolu a été appliqué au signal de localisation. Nos résultats ont montré une amélioration de la précision de localisation comparé au système de localisation sans modèle psycho-acoustique et ce grâce à l'utilisation d'un filtre adapté au modèle psycho-acoustique à la réception. Par ailleurs, l'écoute du signal après application du modèle psycho-acoustique a montré une réduction significative de son audibilité comparée à celle du signal original. / The objective of this PhD is to propose a location solution that should be simple and robust to multipath that characterizes the indoor environments. First, a location system that exploits the time domain of channel parameters has been proposed. The system adopts the time of arrival of the path of maximum amplitude as a signature and estimates the target position through nonparametric kernel regression. The system was evaluated in experiments for two main configurations: a privacy-oriented configuration with code-division multiple-access operation and a centralized configuration with time-division multiple-access operation. A comparison between our privacy-oriented system and another acoustic location system based on code-division multiple-access operation and lateration method confirms the results found in radiofrequency-based localization. However, our experiments are the first to demonstrate the detrimental effect that reverberation has on acoustic localization approaches. Second, a location system based on time reversal technique and able to localize simultaneously sources with different location precisions has been tested through simulations for different values of the number of sources. The system has then been validated by experiments. Finally, we have been interested in reducing the audibility of the localization signal through psycho-acoustics. A filter, set from the absolute threshold of hearing, is then applied to the signal. Our results showed an improvement in precision, when compared to the location system without psychoacoustic model, thanks to the use of matched filter at the receiver. Moreover, we have noticed a significant reduction in the audibility of the filtered signal compared to that of the original signal.