Détection de données aberrantes appliquée à la localisation GPS

Outliers detection applied to GPS localization

• Auteur / Autrice : Salim Zair
• Direction : Sylvie Le Hégarat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 07/10/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : François Peyret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Le Hégarat, François Peyret, Jean-Yves Tourneret, Philippe Bonnifait, Philippe Forster, Emmanuel Seignez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Tourneret, Philippe Bonnifait

Mots clés

Mots clés contrôlés

Observations aberrantes (statistique)

Théorie de Dempster-Shafer

Estimation, Théorie de l'

GPS

Mots clés libres

Localisation

Détection de données aberrantes

Gps

Estimation robuste

Processus stochastiques

Localization

Outliers detection

Gps

Robust estimation

Stochastic processes

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de détection de mesures GPS erronées. En effet, en zones urbaines, les acquisitions sont fortement dégradées par des phénomènes de multi-trajets ou de multiples réflexions des signaux avant d’arriver à l’antenne réceptrice. En forêt, de multiples obstacles bloquent les signaux satellites, ce qui diminue la redondance des mesures. Alors que les algorithmes présents dans les récepteurs GPS détectent au maximum une mesure erronée par pas de temps, avec une combinaison de différents systèmes de navigation, l’hypothèse d’une seule erreur à la fois n’est plus tenable et la détection et gestion des données erronées (défaillantes, aberrantes ou outliers selon les différentes terminologies) représente un enjeu majeur dans les applications de navigation autonome et de localisation robuste et devient un nouveau défi technologique.La contribution principale de cette thèse est un algorithme de détection de mesures de pseudo-distances aberrantes exploitant la modélisation a contrario. Deux critères fondés sur l’espérance du nombre de fausses alarmes (NFA) sont utilisés pour mesurer la cohérence d’un ensemble de mesures sous l’hypothèse d’un modèle de bruit.Notre seconde contribution concerne l’introduction des mesures Doppler dans le processus de localisation. Nous étendons la détection d’outliers conjointement dans les mesures de pseudo-distance aux mesures Doppler et proposons une localisation par couplage avec le filtre particulaire soit SIR soit de Rao-Blackwell qui permet d’estimer analytiquement la vitesse.Notre troisième contribution est une approche crédibiliste pour la détection des mesures aberrantes dans les pseudo-distances. S’inspirant du RANSAC, nous choisissons, parmi les combinaisons d’observations possibles, la plus compatible selon une mesure de cohérence ou d’incohérence. Une étape de filtrage évidentiel permet de tenir compte de la solution précédente. Les approches proposées donnent de meilleures performances que les méthodes usuelles et démontrent l’intérêt de retirer les données aberrantes du processus de localisation.

In this work, we focus on the problem of detection of erroneous GPS measurements. Indeed, in urban areas, acquisitions are highly degraded by multipath phenomena or signal multiple reflections before reaching the receiver antenna. In forest areas, the satellite occlusion reduces the measurements redundancy. While the algorithms embedded in GPS receivers detect at most one erroneous measurement per epoch, the hypothesis of a single error at a time is no longer realistic when we combine data from different navigation systems. The detection and management of erroneous data (faulty, aberrant or outliers depending on the different terminologies) has become a major issue in the autonomous navigation applications and robust localization and raises a new technological challenge.The main contribution of this work is an outlier detection algorithm for GNSS localization with an a contrario modeling. Two criteria based on number of false alarms (NFA) are used to measure the consistency of a set of measurements under the noise model assumption.Our second contribution is the introduction of Doppler measurements in the localization process. We extend the outlier detection to both pseudo-ranges and Doppler measurements, and we propose a coupling with either the particle filter SIR or the Rao-Blackwellized particle filter that allows us to estimate analytically the velocity.Our third contribution is an evidential approach for the detection of outliers in the pseudo-ranges. Inspired by the RANSAC, we choose among possible combinations of observations, the most compatible one according to a measure of consistency or inconsistency. An evidential filtering step is performed that takes into account the previous solution. The proposed approaches achieve better performance than standard methods and demonstrate the interest of removing the outliers from the localization process.