Thèse Plateforme de Localisation 2D Indoor Coopérative et Évolutive Exploitant des Radars Multistatiques Uwb Dédiée à des Applications de Sécurité H/F

Institut Polytechnique de Paris Télécom Paris

La thèse se focalise sur la conception d'une plateforme de démonstration permettant la localisation en 2 dimensions (2D) d'un ensemble de 4 stations/badges équipés d'un gyroscope (1 station « maître » émulant le centre de commandement et 3 stations « esclaves » versatiles). Lors de la thèse de Nour Awarkeh, l'acquisition des signaux ayant été faite par un oscilloscope à haute vitesse d'échantillonnage, nous chercherons ici à développer un récepteur interférométrique pour les stations de localisation. Pour la partie émission, les signaux UWB sont de faible puissance (-41.3 dBm / Hz), afin de respecter le gabarit spectral du standard IEEE 802.15.4 pour la bande de fréquence [3-4] GHz. Ce faible niveau de puissance va donc nécessiter l'utilisation cohérente d'un nombre minimal d'impulsions afin de réaliser la localisation en minimisant l'incertitude sur la position. Il faudra donc déterminer le nombre d'impulsions pour coder le signal émis pour conjointement :
- assurer le rapport signal à bruit (SNR) nécessaire au niveau des chaines de réception afin d'estimer correctement la différence de phase entre les signaux
- attribuer ce code au badge pour améliorer la robustesse vis-à-vis d'un éventuel brouillage et permettre d'exploiter un circuit de réveil dans le but de mettre le badge en pause lors des phases où on ne cherche pas à le localiser afin d'économiser sa batterie.
- prouver et valider la mesure de différences de phase entre signaux impulsionnels pour déterminer un angle directionnel d'un badge vis-à-vis de la ligne de base de la station de localisation active.
Les signaux émis seront donc des impulsions. Ce train d'impulsions UWB, créant le code de modulation associé à l'identification du badge, servira de signal de modulation de phase (0/pi) à 2 porteuses sinusoïdales dont les fréquences seront la base pour exploiter une méthode interférométrique dans le but d'estimer conjointement la distance et l'angle de direction où se situe le badge par rapport à la station de localisation. Les 2 chaines de réception doivent intégrer un corrélateur vectoriel afin de réaliser la mesure de différence de phases instantanées entre le signal émis et les signaux reçus par la station de base. Une base de travail pour réaliser ce corrélateur est issue des travaux de J. A. Pardiñas-Mir et D.Dickson. La réalisation de ce corrélateur associé à un accumulateur cohérent, permettant l'addition (pour assurer le SNR minimal requis) des impulsions formant le code d'identification du badge (utilisation d'un code Barker), est un challenge pour l'adaptation de ces circuits de réception à l'exploitation de signaux impulsionnels.
Un dernier aspect est la réalisation d'un système permettant de basculer entre le mode badge et le mode station pour le système mobile et porté. Ce système s'appuie sur la réalisation d'un circuit de réveil (« Wake up circuit ») exploitant les codes d'identification attribués à chaque station

Les objectifs scientifiques s'articulent autour de la réalisation d'un démonstrateur 2D de système de localisation coopératif pour le milieu intérieur inconnu en situation fortement contrainte Les contraintes sont le déploiement rapide sans connaissance préalable de l'environnement, sans possibilité d'exploiter les infrastructures présentes indoor et d'un badge dédié, développés sur la base des travaux de Nour Awarkeh. La station de localisation est un système radar UWB multistatique, répondant aux contraintes spectrales de la norme ITU IEEE 802.15.4 pour la bande de fréquences [3-4] GHz. Cette station est formée d'une chaine d'émission commune à 2 chaines de réception colocalisées et d'un badge à localiser permettant la réception et la réémissions active du signal exploité en y intégrant un délai tau supplémentaire connu pour séparer la contribution du badge de la rétrodiffusion naturelle de l'environnement (clutter) au niveau des chaines de réception. La localisation du badge est déterminée en coordonnées polaires (mesure conjointe distance & angle d'azimut) en associant les principes d'interférométrie et de goniométrie. Par corrélation vectorielle (mesure de différences de phases) entre le signal émis par la station et le signal retourné par le badge sur les 2 canaux de réception, il est alors possible de remonter aux informations distance et angle d'arrivée positionnant ainsi le badge relativement à la station.

Dans ce cadre, un effort important sera apporté sur :
* le choix de la longueur de code pour moduler le signal d'émission afin d'assurer le rapport signal à bruit (SNR) minimum permettant d'estimer la mesure de phase optimale entre signal émis et signal reçu au niveau des chaines de réception.
* L'étude, la simulation, le design en vue d'une réalisation du circuit de réception permettant la corrélation vectorielle entre les signaux sinusoïdaux modulés par le train d'impulsions UWB.
* Un circuit de réveil permettant de basculer les systèmes portés, naturellement en mode badge à localiser, en mode station de localisation
* L'adaptation d'un système de communication (système commercial ici pour ce démonstrateur) permettant de remonter les informations de localisation locale obtenue par chaque station mobile vers la station centrale
Un aspect important sera aussi l'étude de l'influence des conditions de propagation dans le cas où le badge :
-est en visibilité directe mais l'environnement présente des multi trajets. Il conviendra ainsi d'estimer la robustesse
-n'est plus en visibilité directe avec la station de base (cas N-LOS Non Line Of Sight). Il conviendra d'évaluer la dégradation plus ou moins importante de la localisation. De nombreux travaux évoquent la possibilité d'utiliser un radar exploitant les canaux UWB en dessous de 5GHz afin d'estimer la présence ou non d'un objet ou une personne derrière une cloison sèche non conductrice. Cette partie permettrait de caractériser la possibilité d'assurer une continuité de service pour la localisation et/ou de développer un indicateur indiquant que la localisation n'est pas fiable

Pour la station et le badge, des antennes à polarisation circulaire seront utilisées. Ces antennes ont été développées dans le cadre des thèses de Rupesh Khumar et Nour Awarkeh . L'exploitation d'ondes à polarisation circulaire permet de renforcer la robustesse de rejection naturelle des signaux issus de la rétrodiffusion naturelle de l'environnement. Il faudra, durant cette thèse, réaliser de nouvelles antennes afin d'obtenir le nombre nécessaire pour équiper ses stations versatiles.