Precise Cooperative Positioning of Low-Cost Mobiles in an Urban Environment
Positionnement précis coopératif de mobiles low-cost en milieu urbain
Résumé
In recent years, our society has been preparing for a paradigm shift toward the hyper-connectivity of urban areas. This highly anticipated rise of connected smart city centers is led by the development of low-cost connected smartphone devices owned by each one of us. In this context, the demand for low-cost, high-precision localization solutions is driven by the development of novel autonomous systems. After Googe announced the release of Android GNSS raw data measurements on mobile devices, the enthusiasm around those low-cost positioning devices quickly grew in the scientific community. The increasing need of Location Based Services (LBS) provoked the rapid evolution of smartphones embedded low-cost Global Navigation Satellite System (GNSS) chipsets within the last few years. Most Android devices are now equipped with multi-constellation and multi-frequency positioning chipset. However, various drawbacks prevent the realization of above-mentioned techniques on hand-held mobiles. Smartphones positioning capabilities are limited by the tight-integration of hardware components within the device. Integrated low-cost components, such as the linearly polarized antenna, are unoptimized for acquiring multi-frequency GNSS signals and their operation in a constrained environment quickly becomes a challenge for mitigating disruptive multipath events. Moreover, due to a fierce technological competition between chipset manufacturers, embedded GNSS receivers have been conceived to act as "black-box" processes. The receiver parameterization is kept confidential and only GNSS raw data measurements are outputted to the user. In order to overcome those difficulties, this research work aims to develop a collaborative network positioning system between smartphones. The implementation of a cooperative smartphone network takes advantage of the tremendous number of connected Android devices present in today's city centers for refining and improving users position accuracy and integrity in urban environments. This research thesis presents a thorough analysis of Android GNSS raw data measurements aiming at lifting the ambiguity generated by receivers' "black-box" processes on a wide variety of Android smartphone brands and models. A wide data collection campaign, on 7 different smartphone models in real-life urban conditions, has been conducted for assessing the positioning performance of those contemporary low-cost devices. After grasping the receivers' mechanisms, the implementation of Android GNSS raw data measurements in collaborative positioning algorithms has been investigated. An innovative smartphone-based double code difference method has been employed to compute the inter-phone distance between network's users, named Inter-Phone Ranging (IPR). This technique was tested for nominal and urban scenario cases and has demonstrated its reliability for collaborative positioning implementation. Finally, a smartphone-based cooperative engine, called SmartCoop, was developed and evaluated. This collaborative estimation technique exploits the previously computed IPR ranges in a non-linear constrained optimization problem. An experimental protocol has been put in place in order to determine the estimation method efficiency through a series of simulation runs for both nominal and urban scenarios. The presented results analysis supports our hypothesis that smartphone-based collaborative engines enhance Android positioning performance in urban canyon.
Ces dernières années, l’usage fait de notre téléphone mobile évolue. En effet, grâce au développement technologique ainsi qu’à l’hyperconnectivité de nos activées quotidiennes, ces appareils connectés ont pris une place centrale dans notre société. Après l’annonce faite par Google, concernant la mise en service d’une mise à jour Android permettant de récupérer les mesures GNSS brutes, les smartphones sont rapidement devenus attrayant pour la communauté scientifique, en tant que récepteur GNSS bas-coût grand public. Les premières études menées sur ces appareils consistaient à transposer les algorithmes GNSS avancés (RTK et PPP) sur ces périphériques.Cependant, l’implémentation de ces techniques se heurte à la faible qualité des données de positionnement mobiles. En effet, en raison d’une architecture restreinte et de composants auxiliaires bas-coût, la performance du positionnement sur mobile est rapidement impactée par différents biais d’erreur. Ce phénomène s’accentue en milieu urbain, notamment à cause de l’antenne interne du téléphone dont les spécifications sont inadaptées au traitement de signaux multifréquences et au positionnement en environnement contraint. De plus, les paramètres et réglages de ces récepteurs embarqués sont tenus secret par les constructeurs et seules les données GNSS brutes sont fournies à l’utilisateur, rendant leur utilisation ambiguë.Afin de surmonter ces difficultés, ce projet de recherche ambitionne le développement d’un algorithme collaboratif dédié aux smartphones. La création de ce réseau coopératif permettrait de tirer avantage du nombre croissant de téléphones mobiles connectés agglomérés dans les rues des grands centres-villes. Cette thèse présente une analyse complète et détaillée des mesures Android GNSS brutes afin de lever l’ambiguïté créée par les procédés de « boîte-noire » employés par les récepteurs embarqués. Une grande campagne de collecte de données fut organisée pour évaluer la performance du positionnement sur téléphone en milieu urbain. Cette campagne a été réalisée sur 7 smartphones en conditions réelles. À la suite de cette étude, une méthode de caractérisation des données GNSS brutes fut créée afin de couvrir le spectre de la plupart des modèles de téléphone mobile Android.Après avoir analysé les mécanismes de positionnement interne aux smartphones, un algorithme collaboratif a été implémenté utilisant les données GNSS d’Android. Une méthode de double différence sur les mesures de code a été proposée afin de permettre l’estimation des distances entre utilisateurs d’un réseau coopératif. Cette technique innovante a été baptisée « Inter-Phone Ranging » (IPR). La fiabilité et la précision de cette méthode d’estimation sont démontrées par plusieurs études couvrant plusieurs environnements. Enfin, après avoir méthodiquement caractérisé la mise en place d’un réseau collaboratif de téléphones mobiles, un algorithme de positionnement collaboratif appelé « SmartCoop » est présenté. Ce dispositif permet d’exploiter les mesures d’inter-distances entre utilisateurs du réseau afin de résoudre un problème d’optimisation à contraintes non-linéaires. Cette méthode d’estimation a pour but d’améliorer la précision et la dispersion de la position de tous les utilisateurs du réseau. Ce système coopératif a été validé en simulation. L’analyse des résultats obtenus nous permet de penser que cet algorithme coopératif innovant participe à l’amélioration globale de la performance du positionnement sur téléphone mobile en milieu urbain.
Origine : Version validée par le jury (STAR)