Géolocalisation satellitaire pour l’IoT

La géolocalisation satellitaire (Global Navigation Satellite System, GNSS) est une technique rodée, bien à jour et toujours en évolution. L’ IoT a besoin de localisation et les récepteurs GNSS sont une solution envisageable.

Principe de la géolocalisation satellitaire

Pour connaître sa position, un récepteur écoute les signaux émis par une constellation de satellite. Une phase initiale d’acquisition est nécessaire à la détection de satellites et l’obtention de l’almanach. Un almanach rassemble les trajectoires des satellites, ainsi que d’autres informations utiles pour déduire la position. Ceux-ci sont contenus dans le signal satellitaire, aux côtés de la date et l’heure très précise au moment de l’envoi. Ensuite le récepteur calcule sa position par triangulation à partir des satellites visibles. On parle de “fix” lorsque la position est connue en continu.

Multi-constellation

La constellation de satellites la plus largement utilisée est le GPS Américain. GPS est aujourd’hui opérationnel, comme son équivalent Russe GLONASS. Galileo (Europe) et Compass (Beidou, Chine) sont en cours de déploiement. Chacun de ces systèmes est utilisable indépendamment et propose des fonctions similaires.

Malgré tout il peut être avantageux d’utiliser plusieurs constellations en simultané. C’est d’ailleurs ce que proposent de nombreux récepteurs GNSS. L’intérêt le plus évident est la quantité de satellites disponibles qui est augmentée. En résulte une meilleure couverture. C’est particulièrement vrai dans les endroits où l’accès au ciel est obstrué, comme dans les zones urbaines denses. Le temps de fix et la précision sont donc améliorés.

En contrepartie, ces modules peuvent être plus chers et la consommation peut augmenter. C’est à relativiser dans la mesure où le temps de fix sera potentiellement réduit ; celui-ci peut être mis en veille plus rapidement en fonction du cas d’usage.

Antenne

Le rôle de l’antenne est de “voir” une portion de ciel dégagé suffisamment grande pour que des satellites s’y trouvent. Plus il y a de satellites dans la zone visible, plus le fix sera rapide et précis. Il faut d’ailleurs au moins trois satellites pour calculer une position ; les suivants affineront la précision.

Pour cette raison une antenne dite “externe” a son intérêt. Le concepteur est plus libre de son choix et de son placement. Pour se passer de ce composant relativement encombrant, certains récepteurs GNSS disposent d’antennes “intégrées”. Ces dernières offrent une conception plus rapide de l’objet et des dimensions restreintes.  En revanche les performances de réception peuvent être dégradées étant donné que ces antennes sont souvent plus petites et moins idéalement positionnées.

Module avec antenne intégrée

Antenne externe (SMA)

Mobilité

Lors du premier fix, il est recommandé de ne pas bouger l’appareil électronique. Dans le cas contraire le temps de fix peut être supérieur à dix minutes, alors que sans mouvement il est inférieur à la minute.

En effet les GNSS utilisent des techniques de filtrage prédictif (type Kalman). L’idée est d’estimer les valeurs réelles à partir d’un signal faible (donc dégradé) et des données connues. Les coordonnées calculées vont donc évoluer jusqu’à se stabiliser autour des valeurs réelles. Lors du premier fix,le GPS n’a aucune donnée précédente et donc aucune information sur la dynamique de l’objet. En fonction des conditions, dont le mouvement, l’estimation peut ne jamais se stabiliser.

Le filtre utilisé est néanmoins configurable dans une certaine mesure. En informant le récepteur de l’ordre de grandeur des mouvements subis, les prédicteurs peuvent être adaptés afin d’obtenir un fix. Cette opération est faite au détriment de la précision.

Localisation aidée

Le temps d’acquisition de la première position (time to first fix, TTFF), dépend des conditions de départ. Une acquisition “à froid” (sans aucune information) demandera significativement plus de temps qu’“à chaud” (utilisation des fixs antérieurs).

Le premier fix peut être accéléré en injectant des informations obtenues par ailleurs (“aided acquisition”). C’est pertinent lorsque l’objet dispose de ces informations, ou qu’il est capable de les acquérir plus rapidement que via GNSS. Il est par exemple possible que la date voire l’heure approximative soient connues. Il en va de même pour la position, même à plusieurs kilomètres près.

Fournir un almanach au démarrage est l’aide ayant le plus d’impact sur le TTFF. En effet le module n’a plus besoin de télécharger des données relativement lourdes. Cependant le poids peut aussi gêner le stockage de ces données (jusqu’à 100ko) ; Une mémoire embarquée type EEPROM est nécessaire. De plus les almanachs sont périssables. En fonction de la source et de la précision, la durée de validité va de quelques semaines à plusieurs mois. Il faut donc les actualiser.

Autrement, l’objet peut aussi acquérir ces informations via les connexions au réseau dont il est équipé par ailleurs (WiFi, Cellulaire, Bluetooth, Sigfox, …).

D’ailleurs, si nos smartphones parviennent à obtenir une position rapidement, c’est grâce à l’utilisation complète de ces mécanismes. Ils ont à disposition les ressources nécessaires (réseaux, énergie, espace de stockage) qu’il n’est pas toujours possible d’avoir en I.o.T. Il faut faire un compromis entre performances, autonomie et coûts.

Pour optimiser le TTFF, il faut donc jouer sur les points suivants:

– régler la dynamique du GPS en fonction du scénario souhaité

– fournir un maximum de données d’assistance au GPS pour son premier démarrage

– chercher à acquérir un fix pendant des phases de réception optimales.

Alternatives

L’intégration d’un récepteur GNSS à un objet IoT répond à un besoin fréquent. Malgré tout, cela affecte la taille, l’autonomie et le prix. En fonction de l’utilisation faite de la position, des alternatives existent. Il est par exemple possible de tirer parti des connexions existantes (WiFi, Sigfox, …) pour en déduire la position.
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2018-06-12T17:22:09+00:00juin 12th, 2018|Technologie|