DOMAINE DE L' INVENTION

L' invention se rapporte au domaine de la géolocalisation et plus particulièrement à la géolocalisation par signaux de type Ultra Large Band (ou UWB pour « Ultra Wide Band ») . ARRIERE PLAN DE L' INVENTION

Il est connu un procédé de géolocalisation par signaux UWB dans lequel une première unité UWB, présentée sous la forme d'une pastille autocollante de localisation, possède un émetteur UWB envoyant cycliquement un signal UWB à une deuxième unité UWB pourvue d'un récepteur UWB. Les unités UWB comprennent chacune une horloge interne donnant une référence de synchronisation commune.

La géolocalisation de la première unité UWB est effectuée par l'émission d'une signature UWB, générale- ment sous la forme d'une série de impulsions, à un instant de référence T0 connu de la deuxième unité. La deuxième unité mesure la durée qui sépare 1' instant T0 de l'instant auquel la signature UWB est reçue. Cette durée correspond au temps de propagation du signal depuis la première unité UWB jusque la deuxième unité UWB. La vitesse du signal dans le milieu {généralement l'atmosphère) étant connue, la deuxième unité peut déterminer la distance la séparant de la première unité. La position de la première unité peut être déterminée en ré- alisant une pluralité de mesures depuis plusieurs autres unités dont la position est connue, à l'aide d'une méthode s' apparentant à la triangulation.

La précision de la mesure du temps de propagation du signal UWB conditionne la précision selon laquelle la distance séparant les unités est évaluée. Une bonne pré- cision de mesure du temps de propagation requiert une parfaite synchronisation des horloges internes de chaque unité. Cette synchronisation peut se faire à l'aide d'un émetteur GPS lié à l'horloge interne et transmettant le signal de synchronisation GPS reçu par le réseau de satellites. Une autre solution consiste à implanter un dispositif de vérification et de recalage des horloges internes pouvant communiquer avec une unité de référence distribuant un signal de synchronisation des horloges. Ces dispositifs sont coûteux, nécessitent d'implanter des ressources spécifiques dans chaque unité UWB et requièrent de consacrer une part du temps de communication entre les unités à la synchronisation de leurs horloges internes. Ceci réduit alors la cadence selon laquelle les unités peuvent émettre leur signal UWB et résulte en une augmentation de l'incertitude de la position des unités à un instant donné.

Pour assurer une bonne précision, il importe également que les horloges internes réalisent un décompte du temps rigoureusement identique. Or, on constate des dérives dans le décompte du temps effectué par chaque horloge .

Ainsi, la précision d'une mesure de distance entre des unités à l'aide d'un signal UWB est tributaire de la synchronisation des horloges internes de chaque unité et de la dérive de ces mêmes horloges internes.

OBJET DE L' INVENTION

Un but de l'invention est d'augmenter la précision d'une mesure de distance par signal UWB.

RESUME DE L'INVENTION

A cet effet, on prévoit un procédé de mesure de distance entre une première unité et au moins une deuxième unité pourvues respectivement d'un premier et d'un deuxième émetteur/récepteur UWB disposant respectivement d'une première et d'une deuxième horloge interne. La com- munication entre les unités se fait en mode duplex par séparation temporelle selon un pluralité de trames comprenant chacune au moins un intervalle de temps descendant dédié à l' émission d' un premier signal UWB depuis la première unité vers la deuxième unité , et au moins un intervalle de temps montant dédié à la réception par la première unité d'un deuxième signal UWB émis par la deuxième unité. Les intervalles de temps sont cycliquement comptés par la première unité et la deuxième unité res- pectivement à partir d'une première et d'une deuxième référence temporelle. La première et la deuxième référence temporelle sont cycliquement données par la première et la deuxième horloge interne respectivement , le procédé selon 1 ' invention comprend les étapes suivantes :

- émission par la première unité, dans l' intervalle de temps descendant, du premier signal UWB ;

émission par la deuxième unité, dans l' intervalle de temps montant, d'un deuxième signal UWB comprenant un indicateur lié au temps écoulé entre la deuxième référence de synchronisation et la réception du premier signal UWB;

- détermination par la première unité de la distance la séparant de la deuxième unité.

Ainsi, la première unité dispose d'une informa- tion supplémentaire relative à la distance la séparant de la deuxième unité. La mesure de la distance met à profit ces deux informations et permet une amélioration de la précision de la mesure.

Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le procédé comprend 1 ' étape supplémentaire de déterminer un écart temporel entre la première et la deuxième référence de synchronisation ainsi qu' une dérive d' horloge entre la première et la deuxième horloge interne, cette étape étant réalisée par la première unité .

Ainsi, la première unité peut réaliser une mesure de la distance séparant la première unité de la deuxième unité indépendante de la dérive d'horloge et/ou du décalage temporel entre les première et deuxième horloges internes .

L' invention concerne également une unité comprenant un émetteur/récepteur UWB disposant respectivement d' une première et d' une deuxième horloge interne et de moyens de traitement agencés pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention.

D' autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit des modes de réalisation particuliers non limitatifs de l' invention . BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

Il sera fait référence aux dessins annexés , parmi lesquelles :

- la figure 1 est une représentation schématique des unités de communication selon 1 ' invention ;

- les figures 2 à 4 sont des représentations schématiques des signatures UWB des unités de communication de la figure 1;

- la figure 5 est une vue schématique du découpage temporel des communications entre les unités de com- munication de la figure 1 ;

- la figure 6 est une vue schématique des échanges entre les unités de communication de la figure 1 selon un premier mode de réalisation;

- la figure 7 est un logigramme représentant les étapes du mode de réalisation de la figure 6 ;

- la figure 8 est une représentation schématique de la signature UWB de la figure 3 dans laquelle est enco- dée une information ;

- la figure 9 e s t une vue schématique des échanges entre les unités de communication de la figure 1 s e - Ion un mode de réalisation particulier de 1 ' invention .

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

En référence à la figure 1, le procédé de mesure de distance selon l' invention est décrit en application à la mesure de distance entre une première unité 10 d'intérêt, une deuxième unité 20 voisine et une troisième unité 30 voisine.

La première unité 10 comprend un premier émetteur/récepteur à Ultra Large Bande (ou UWB pour « Ultra Wide Band ») 11 et un premier récepteur GPS 12 reliés à une première unité de traitement de données 13 comprenant un premier microcontrôleur 14, une première mémoire 15 et une première horloge interne 16.

La deuxième unité 20 comprend un deuxième émetteur/récepteur à Ultra Large Bande ( ou UWB pour « Ultra Wide Band ») 21 et un deuxième récepteur GPS 22 reliés à une deuxième unité de traitement de données 23 comprenant un deuxième microcontrôleur 24, une deuxième mémoire 25 et une deuxième horloge interne 26.

La troisième unité 30 comprend un troisième émetteur/récepteur à Ultra Large Bande (ou UWB pour « Ultra Wide Band ») 31 et un deuxième récepteur GPS 32 reliés à une troisième unité de traitement de données 33 comprenant un troisième microcontrôleur 34, une troisième mémoire 35 et une troisième horloge interne 36.

Les émetteurs /récepteurs UWB 11, 21, 31 peuvent émettre et recevoir des signatures UWB SIG10, SIG20 et SIG30 respectivement caractéristiques des unités 10, 20 et 30. La signature UWB SIG10 est représentée en figure 2 et est constituée , ici , d' un train de seize impulsions monocycles UWB numérotées I10 ₀ a I10i ₅ d'une durée d'une nanoseconde émises consécutivement au début d'un intervalle de temps constant τ égal à 255 nanosecondes .

La signature UWB SIG20 , représentée en figure 3, est constituée d'un train de seize impulsions monocycles UWB numérotées I20 ₀ à I20 ₁₅ . Les impulsions I20 ₀ et 120 ₂ à 120 ₁₅ ont toutes une durée d'une nanoseconde. Comme vi- sible en figure 3 la signature UWB SIG20 diffère de la signature UWB SIG10 en ce que la deuxième impulsion I20i est égale à deux nanosecondes. Ce mode de différenciation des signatures est connu sous le terme de modulation en largeur d'impulsions (Puise Width Modulation : PWM) .

La signature UWB SIG30 est constituée d'un train de seize impulsions monocycles UWB numérotées 130ο à I30 ₁₅ . Les impulsions 130ο et I3Û2 à Ι30 ₁₅ ont toutes une durée d'une nanoseconde. Comme visible en figure 4 la si- gnature UWB SIG30 diffère de la signature UWB SIG10 en ce que la deuxième impulsion I30i est égale à trois nanose- condes .

Les unités 10, 20 et 30 sont autonomes en énergie et, par conséquent, mobiles.

En référence à la figure 5, la communication entre les unités 10, 20 et 30 se fait selon un mode du- plex par séparation temporelle sur une période de commu- nication appelée trame 40 se répétant cycliquement et dont la durée T _t est fixe et connue de chaque unité, ici 524288 nanosecondes. Un ensemble de trente deux trames 40 numérotées de 0 à 31 constitue une multitrame 41 d'une durée T _M de 16777216 nanosecondes. Un ensemble de huit multitrames 41 constitue une super trame 42 d'une durée T _s de 134217728 nanosecondes. Chaque trame 40 est subdi- visée en trente deux intervalles de temps 43 numérotés de 0 à 31, chacun d'une durée T _c de 16384 nanosecondes.

La communication entre les unités 10,20 et 30 et un premier mode de réalisation du procédé de mesure de distance de l'invention vont être décrits en référence aux figures 6 et 7. La figure 6 représente partiellement une trame 40 dont le numéro est k=l issue d'une multi- trame dont le numéro est j=3. Les unités 10, 20 et 30 disposent respectivement d'une référence temporelle T ₁₀ , T ₂₀ , T ₃₀ correspondant aux débuts respectifs des trames 44, 45 et 46. Chaque réfé- rence temporelle ΤΊο, T ₂₀ , T ₃₀ est respectivement donnée par les horloges internes 16, 26 et 36. Les horloges in- ternes 16, 26 et 36 se calent régulièrement sur le signal 1PPS fourni respectivement par les récepteurs GPS 12, 22 et 32.

En principe, les références temporelles T ₁₀ , T ₂₀ , T ₃₀ sont synchrones et permettent d'établir une communica- tion sur un canevas temporel commun dans lequel les trames 44, 45 et 46 commencent toutes en même temps. En pratique, on constate l'existence d'un décalage temporel Φ10.20 entre les références temporelles T ₁₀ et T ₂₀ ainsi qu'un décalage temporel entre les références tempo-

relles T ₁₀ et T ₃₀ . Les décalages temporels sub- sistent, en l'absence de dérive d'horloge, entre les dé- buts de chacun des intervalles de temps des trames 44, 45 et 46. Les débuts des intervalles de temps sont représen- tés par des traits verticaux en pointillés sur la figure 6.

Le procédé va être décrit en référence à la dé- termination, par l'unité 10, des distances D _10-20 et D ₁₀ _ ₃₀ la séparant respectivement des unités 20 et 30.

Selon une étape préalable 50, les unités 20 et 30 se sont vues attribuer respectivement l'intervalle de temps numéro 2 et numéro 3 comme intervalle de temps spé- cifique dédié à l'émission de leur signature UWB respec- tive SIG20 et SIG30. Cet intervalle de temps est appelé intervalle montant.

Selon une première étape 51, l'unité 10 est con- sidérée « active » et les unités 20 et 30 sont considé- rées « passives ».

Selon une deuxième étape 52, l'unité 10 émet sa signature UWB SIG10 sur le premier intervalle de temps 43 numéro 0 de la trame 44 numéro 1. L'unité 20 reçoit la signature UWB SIG10 après l'écoulement d'un temps de pro- pagation Δ ₁₀ , ₂₀ de la signature UWB SIG10 vers l'unité 20 décompté à partir de la référence temporelle T ₂₀ (étape 53). L'unité 30 reçoit, quant à elle, la signature UWB SIG10 après l'écoulement d'un temps de propagation Δ _10,30 de la signature UWB SIG10 vers l'unité 30 décompté à par- tir de la référence temporelle T ₃₀ (étape 54). Les durées Δ ₁₀ , ₂₀ et Δ _10,30 sont mesurées et mémorisées respectivement par les unités de traitement 23 et 33 des unités 20 et 30 (étapes 55 et 56) .

Selon une étape 57, une fois dans l'intervalle de temps numéro 2 de la trame numéro 45, l'unité 20 émet, à l'attention de l'unité 10, un signal SIG20* -représenté en figure 8- correspondant à la signature UWB SIG20 mais dans lequel a été encodée la valeur Δ ₁₀ , ₂₀ · Cette valeur est encodée par modulation en position des impulsions I20 ₂ à 12O15. Ici, la troisième impulsion 12Ο ₂ est retar- dée d'une valeur de τ/2. La mise en place d'un retard de τ/2 sur une ou plusieurs des impulsions comprises entre la deuxième et la quinzième impulsion d'une signature telle que les signatures UWB SIG10, SIG20 et SIG30 permet de réaliser un codage binaire sur 14 bits. Ce codage per- met de transmettre 16384 valeurs différentes, soit une valeur de Δ ₁₀ , ₂₀ ou Δ ₁₀ ,30 sous la forme d'un entier naturel compris entre 0 et 16383, correspondant à la valeur de Δ ₁₀ , ₂₀ en nanosecondes. L'unité 10 mesure et mémorise le temps de propagation Δ ₂₀ , ₁₀ du signal UWB SIG20* décompté à partir du début du deuxième intervalle de temps de la trame 44 (étape 58) et décode la valeur Δ ₁₀ , ₂₀ ·

Selon une étape 59 similaire à l'étape 57, une fois dans l'intervalle de temps numéro 3 de la trame 46, l'unité 30 émet, à l'attention de l'unité 10, un signal. SIG30* correspondant à la signature UWB SIG30 mais dans lequel a été encodée la valeur Δ _10,30 · Cette valeur est en- codée par modulation en position des impulsions I 3 Û2 à I30 ₁₅ . L'unité 10 mesure et mémorise le temps de propaga- tion Δ ₃₀ , ₁₀ du signal UWB SIG20* décompté à partir du début du troisième intervalle de temps de la trame 44 (étape 60) .

Selon une étape 61, l'unité 10 détermine alors les distances D10-20 et D10-30 la séparant respectivement des unités 20 et 30. Cette étape 60 peut prendre la forme du calcul de la moyenne arithmétique des temps de propaga- tion ramenés aux débuts des intervalles de temps. On ob- tient alors le calcul suivant :

Où v est la vitesse de propagation du signal UWB dans le milieu considéré.

La précision de mesure est améliorée en ce qu'elle fait intervenir une mesure aller et une mesure retour entre les unités 10, 20 et 30 considérées comme ne se déplaçant pas d'une quantité significative sur la du- rée T _t d'une trame 40.

Les mesures des distances D20-10 et D20-30 sont ef- fectuées selon une méthode identique {répétition des étapes 51 à 61) pour la trame 40 dont le numéro est k=2. Dans cette trame numéro 2, c'est l'unité 20 considérée « active » et les unités 10 et 30 sont considérées « pas- sives ». L'unité 20 envoie alors, au cours de l'intervalle de temps numéro 0 de la trame 45 numéro 2, sa signature UWB SIG20 vers les unités 10 et 30 qui mesu- rent et mémorisent respectivement Δ ₂₀ , ₁₀ et Δ ₂₀ , ₃₀ · L'unité 10 envoie un signal UWB SIG10* dans l'intervalle de temps numéro 1 à l'attention de l'unité 20. Le signal UWB SIG10* comprend la valeur de Δ ₂₀ , ₁₀ · L'unité 30 envoie un signal UWB SIG30* dans l'intervalle de temps numéro 3 à l'attention de l'unité 20. Le signal UWB SIG30* comprend la valeur de Δ ₂₀ , ₃₀ · L'unité 20 peut alors déterminer les distances D20-10 et Δ ₂₀ , ₃₀ -

Un mode particulier de détermination des dis- tances permettant de réduire l'effet du décalage temporel <Pio, 2o va être maintenant détaillé en application à la me- sure des distances Δ ₁₀ , ₂₀ . Ce procédé peut être identique- ment reproduit pour la mesure de la distance D10-30.

Trois équations peuvent être établies pour la me- sure de la distance D10-20 exprimée sous la forme d'un temps de propagation, sur la base d'une hypothèse selon laquelle les temps de propagation des signaux UWB SIG10 et SIG20 sont égaux car les mouvements des unités 10 et 20 au cours d'une même trame 40 sont négligeables :

Dans la mesure où les valeurs Δ ₁₀ , ₂₀ et Δ ₂₀ , ₁₀ sont connues, ce système de trois équations à trois inconnues ( D10-20 _/ D20-10 et Φ _12,20 ) permet d'effectuer une détermina- tion de l'écart temporel Φ _12,20 et d'obtenir ainsi une va- leur de la distance séparant les unités 10 et 20 indépen- dante de l'écart temporel Φ _10,20 .

Le système d'équations suivant s'applique alors à la détermination de la distance séparant les unités 10 et 30 :

Ainsi, dans le cadre d'un système comprenant un nombre d'unités n numérotées de 0 à N actives à tour de rôle lorsque le numéro de trame k est égal à n, on ob- tiendra le système suivant :

Avec :

-n : numéro de l'unité active, à partir de laquelle on mesure les distances la séparant des autres unités ;

-Je : numéro de l'unité dont on cherche à déterminer la distance la séparant de l'unité n ;

-v : vitesse de propagation du signal UWB dans le milieu considéré .

Un autre mode de réalisation permet également de s'affranchir de l'effet de la dérive entre les horloges internes sur la mesure des distances entre unités.

En se plaçant dans la trame numéro k d'une multi trame numéro j, le système d'équations précédent de- vient :

Avec :

-n : numéro de l'unité active, à partir de laquelle on mesure les distances la séparant des autres unités ;

-Je : numéro de l'unité dont on cherche à déterminer la distance la séparant de l'unité n ;

-v : vitesse de propagation du signal UWB dans le milieu considéré ;

-d*k.n /dt : dérive de l'horloge de l'unité n par rapport à l'horloge de l'unité k.

Ce même système devient, dans la trame numéro k de la multi trame suivante numéro j+1 :

Nous supposons que la dérive d'horloge est cons- tante au cours du temps .

En considérant les vitesses de déplacement des unités (par exemple cinq mètres par seconde pour une al- lure de course humaine normale) en regard de la durée d'une multitrame (environ dix sept millisecondes), il est possible de faire l'hypothèse suivante :

La dérive d'horloge sera considérée comme pouvant s'exprimer sous la forme d'une fonction du premier de gré, et on obtient alors l'égalité suivante :

Ce système de neuf équations à huit inconnues peut alors être résolu par substitution et permet d'effectuer une étape de détermination de l'écart tempo- rel et de la dérive d'horloge Ceci permet

d' obtenir une mesure des distances séparant une unité n d'une unité k indépendamment de l'écart temporel pouvant exister entre leurs deux horloges internes ainsi que de la dérive d'horloge de chacune de ces unités.

Selon un mode de réalisation particulier repré- senté en figure 7, les unités 10, 20 et 30 émettent leurs signatures UWB respectives SIG10, SIG20 et SIG30 avec respectivement un premier retard à l'émission , un

deuxième retard à l'émission et un troisième retard

à l'émission T ₃₀ ^Tx . L'étape préalable 50 comprend alors une étape préalable supplémentaire au cours de laquelle chaque unité 10, 20, 30 reçoit la valeur de son retard à l'émission T ₁₀ ^Tx , T ₂ o ^Tx et Τ ₃ ο ^Τχ · Ces retards à l'émission permettent d'éviter des superpositions d'émissions de si- gnature UWB en cas de décalage temporel important entre les horloges internes 16, 26 et 36. La détermination des distances séparant les unités se fait selon la même mé- thode que celle précédemment exposée, les décalages tem- porels n' introduisant aucune inconnue supplémentaire dans le système d'équations à résoudre.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de 1' invention telle que définie par les revendications.

En particulier :

- bien qu'ici la mesure de distance soit effectuée entre trois unités, l'invention s'applique également à un nombre différents d'unités comme par exemple deux ou plus que trois ;

- bien qu'ici l'unité de traitement comprenne un mi- crocontrôleur, une mémoire et une horloge interne, l'invention s'applique également à d'autres moyens de traitement comme par exemple un microprocesseur ou un automate ;

- bien qu'ici, les signatures UWB comprennent seize impulsions d'une durée nominale d'une nanoseconde, l'invention s'applique également à d'autres types de signatures comme par exemple des signatures compre- nant un nombre différent de impulsions, ou des im- pulsions de plus d'une nanoseconde, ou de moins d'une nanoseconde, les impulsions pouvant être sépa- rées d'un intervalle de temps constant ou variable qui peut être supérieur ou inférieur à 255 nanose- condes ;

- bien qu'ici les signatures UWB soient distinguées par modulation de la durée de leur seconde impul- sion, l'invention s'applique également à d'autres modes de différenciation des signatures comme par exemple une modulation de durée d'une autre impul- sion;

bien qu' ici la différenciation des signatures se fasse au moyen de la modulation en largeur d'impulsions (PWM), l'invention s'applique également à d'autres modes de différenciation des signatures comme par exemple une modulation en position d' impulsions ou une modulation à deux états de phase. Dans le cadre d'une différenciation par modu- lation en position d'impulsions, il sera alors né- cessaires de réaliser l'encodage de l'indicateur lié au temps de propagation sur des impulsions dis- tinctes de celles utilisées pour la différenciation de des signatures;

-bien qu' ici le procédé mette en œuvre des signa- tures comprenant des impulsions monocycles, l'invention s'applique également à d'autres types d'impulsions comme par exemple des impulsions mono- cycles gaussiennes ou non, leurs dérivées, des im- pulsions de Rayleigh, des impulsions d'Hermite, des impulsions en monocycle Gaussien modulé ;

bien qu' ici le procédé soit décrit en relation avec la mesure de la distance séparant l'unité d'intérêt 10 des unités voisines 20 et 30, l'invention s'applique également à la mesure, dans une trame ul- térieure k=2, de la distance séparant l'unité 20 (qui devient alors l'unité d'intérêt) des unités 10 et 30 (qui deviennent les unités voisines). D'une manière générale, à chaque trame de la multitrame correspondra l'activation (c'est-à-dire le passage au statut d'unité d'intérêt) d'une unité du groupe d'unités à partir de laquelle seront mesurées les distances la séparant des autres unités ;

bien qu'ici l'encodage des temps de propagation des signatures soit réalisé par modulation en position des impulsions des signatures mettant en œuvre un retard de τ/2, l'invention s'applique également à d'autres modes d'encodage comme par exemple une mo- dulation en position mettant en œuvre une avance ou un retard supérieur ou inférieur à τ/2;

bien qu'ici le signal émis par les unités voisines comprenne un encodage du temps de propagation du si- gnal émis par l'unité d'intérêt, l'invention s'applique également à d'autres types d'indicateurs liés au temps écoulé entre la référence de synchro- nisation de l'unité voisine et la réception du si- gnal UWB émis par l'unité d'intérêt, comme par exemple un encodage de la distance, calculée par l'unité voisine, séparant l'unité d'intérêt de l'unité voisine ;

bien qu'ici les systèmes d'équations soient résolus par substitution, l'invention s'applique également à d'autres méthodes de résolution d'équations comme par exemple la méthode d'élimination ou de combinai- son.