Brevet FR2519769A1 — publié le 19830718

Àf 2519769 SYSTEME DE POSITIONNEMENT ACOUSTIQUE. La présente invention a pour objet un dispositif de positionnement acoustique précis de plusieurs mobiles de surface et sous-marins habités ou non, dans une zone préalablement délimitée. Plus précisément, ce dispositif permet à plusieurs mobiles de surface ou sous-marins habités, et dont le nombre peut être très grand, de connaître en permanence leur position par rapport à un système de référence commun. En outre, avec ce dispositif la position de tout mobile, en particulier sous- marins non habités, peut être connue en permanence sur une station fixe. Leur nombre est dans ce cas limité Ce dispositif peut être utilisé chaque fois que des mobiles ont à connaître leur position de manière précise par exemple sur un champ de production pétrolier ou pour la recherche océanographique. Le principe de base d'un système de positionnement acoustique, repose sur la mesure précise des temps de propagation d'un signal acoustique ultrasonore entre un émetteur et un récepteur La connaissance de la vitesse de propagation du son dans l'eau, permet ainsi de mesurer des distances A partir de ce principe connu, il existe deux techniques de positionnement La première appelée hyperbolique, utilise des différences de parcours et ne nécessite pas la connaissance de l'instant d'émission La seconde appelée circulaire synchrone nécessite la connaissance de l'instant d'émission. La technique dite circulaire synchrone est généralement utilisée, lorsque l'on désire un positionnement de précision, approximativement cons- tante, sur toute la zone de mesure, ce qui n'est pas le cas avec un système hyperbolique Les nombreux systèmes de positionnement utilisant cette technique sont actifs, c'est à dire que le mobile qui se positionne émet un signal acoustique ou électromagnétique L'instant d'émission est ainsi dispo- nible à bord. Ces systèmes présentent en particulier l'inconvénient, de limiter le nombre de mobiles, qui peuvent se positionner sur une même zone, puisque chaque mobile doit émettre sur une fréquence particulière et attendre la réponse Cette limitation provient essentiellement, de la nécessité d'éviter les interférences, avec les bandes de fréquences acoustiques déjà utilisées 19769 sur la zone (sonars, téléphone, transmissions acoustiques d'informations ou de sécurité). Le dispositif de positionnement suivant l'invention, utilise la technique circulaire synchrone et les mobiles dont la position doit être connue à bord sont passifs, ce qui permet de remédier à l'inconvénient indiqué précé- demment Brièvement c'est dispositif de positionnement acoustique d'un véhicule marin comprenant des N bouées répondeuses fixes B, Biy BN, répondant à des impulsions acoustiques à la fréquence f par des impulsions acoustiques aux fréquences f 1 fil f N caractérisé par le fait, que le to dispositif comprend en outre une bouée fixe E, appelée interrogateur, fixée sur une structure placée au fond de la mer et que l'interrogateur E est relié électriquement par un câble à une plateforme, que l'interrogateur émet des impulsions acoustiques à la fréquence f à la cadence H 1 d'une horloge, qui sont reçues par les bouées répondeuses Bi, Bi, BN et par l'antenne acoustique A,, A 2 du véhicule mobile, cette antenne acoustique A 1, A 2 recevant par ailleurs les impulsions de réponse des bouées répondeuses B 1, Bi BN et que des moyens de traitement permettent connaissant les positions de l'interrogateur E et des bouées répondeuses B 1, Bi, BN, l'instant d'émission et les temps d'arrivée des impulsions acoustique de E calculer les coordonnées X, Y du mobile. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: figure 1, le schéma de principe de positionnement d'un bateau ou d'un sous-marin, suivant l'invention; figure 2, un bloc-diagramme des circuits d'émission; de réception et de traitement à la station fixe; figure 3, le schéma des circuits de mesure des retards des impulsions de réponse des bouées répondeuses; figure 4, le schéma de réception-émission d'une bouée répondeuse; figure 5, des signaux temporels utilisés pour la bouée répondeuse; figure 6, le schéma de réception acoustique et radioélectrique et les circuits de traitement dans le bateau à positionner; figure 7, le schéma de réception acoustique et de traitement dans le sous-marin à positionner; 19769 figure 8, le schéma d'émission-réception dans le sous-marin à positionner avec un positionnement dans la station fixe, suivant une variante de l'invention. La figure 1 montre le dispositif de positionnement suivant l'invention, soit pour un bateau de surface 1, soit pour un sous-marin 2. Le dispositif comprend un émetteur ou émetteur-récepteur acoustique E, appelé interrogateur placé préférentiellement près du fond de la mer et un certain nombre N de balises répondeuses BI, Bi, BN L'interrogateur E émet périodiquement à la cadence d'une horloge Hi des impulsions à une fréquence f Les balises BI, Bi, BN répondent par l'émission acoustique d'impulsions aux fréquences toutes différentes fl fi W Ces balises répondeuses sont également amarrées au fond de la mer et leurs positions ainsi que celle de l'interrogateur E sont déterminées au préalable par des méthodes connues A toutes ces positions correspondent des coordonnées par rapport à un référentiel fixe. Les véhicules marins l ou 2 à positionner ont des antennes acoustiques de réception A, et A 2 Au temps t = to l'interrogateur E interroge les bouées répondeuses, telles que B Celles-ci répondent et leur émission est reçue par l'antenne du mobile aux temps: ti = to + (IEB 1 l H Bi AI)/C + Ati ( 1) A est la position d'une antenne A 1 ou A 2, Cti est la constante de temps de réponse de la bouée B et C la vitesse des ondes acoustiques. A bord des mobiles on détermine les retards Ti = ti t O Les valeurs de to, comme on verra plus loin, ainsi que celles de Ati, C et IEB| 1 étant connus à bord, les moyens'de calculs peuvent déterminer les valeurs de |Bi AI par la relation ( 1). A partir de deux valeurs, telles que IB Alet la profondeur pour le sous- marin, il est possible de déterminer les coordonnées X et Y du mobile, mais il reste une ambiguïté sur ces coordonnées. La connaissance de |B 1 A détermine une sphère centrée sur B 1, qui est le lieu du mobile si l'on ne connait pas son immersion Ce lieu se réduit à un cercle pour un bâtiment de surface ou un sous-marin dont on connait la profondeur. Avec une deuxième balise le lieu est un deuxième cercle et les points 19769 communs aux deux cercles sont deux points, pour un bâtiment de surface ou un sous-marin dont ou connait l'immersion. En général les bâtiments connaissent le côté o ils se trouvent par rapport à la droite, qui joint les centres des cercles. Cependant l'ambiguîté peut être levée en utilisant le signal d'une troisième bouée répondeuse ou le signal direct de l'interrogateur E. Pour le bateau de surface 1, l'origine du temps t O peut être obtenu directement par la réception de signaux radioélectriques, émis par l'antenne et reçu par l'antenne 6. On a représenté sur la figure 1, une structure 3 posée sur le fond communiquant par un câble 4 avec l'interrogateur E La structure porte des ensembles électroniques 16 comprenant une horloge de synchronisation qui pilote l'émission de l'interrogateur E. Ces signaux d'horloge H 1 sont transmis par signaux radioélectriques et 1 S les temps de propagation des signaux radioélectriques sont négligeables par rapport aux temps de propagation des signaux acoustiques. Suivant l'invention, l'antenne d'émission radioélectrique sur la struc- ture 3, émet également des signaux fournissant la valeur moyenne de la vitesse C, les valeurs C étant calculés à partir des signaux de réponse des balises BI, Bi, BN et reçus par l'interrogateur E. Pour le sous-marin 2 la valeur de l'origine du temps t est obtenue grâce à des horloges stables. Les émissions de l'interrogateur sont pilotées par une première hor- loge, ayant une faible dérive, pour ne pas affecter la précision du position- nement sur de longues périodes, par exemple une horloge thermostatée au Césium (précision 10-9) La seconde horloge se trouve à bord du sous-marin 2, cette horloge est semblable à la première sur laquelle elle a été synchronisée Il est évident que cette solution à deux horloges synchronisées est également valable pour un bâtiment de surface si l'équipement radio n'existe pas. La figure 2 donne un schéma pour l'émission-réception de l'interro- gateur E et des signaux émis par l'antenne radioélectrique 5. L'horloge stable 25 fournit les signaux de déclenchement H 1 des signaux d'émission e 1 à la fréquence f à un générateur 21, qui sont appliqués 19769 aux transducteurs de l'interrogateur E Les signaux r 1 reçus en retour par ces transducteurs en provenance des bouées répondeuses sont appliqués aux circuits de mesure 22, dans lesquels on détermine les temps de retard de ces signaux Tli Ces retards sont tels que tli = 2 |E Bi/C + Ati ( 2) En fournissant les valeurs de rii,IE Bilet Ati au circuit de calcul 23, on obtient i valeurs de C par la relation ( 2), qui sont ensuite moyennées Cette valeur moyenne de C est transmise au bateau par l'antenne radioélectrique , en même temps que les signaux d'horloge H 1, par un signal e H C généré par un circuit 13. La figure 3 montre le schéma du circuit de calcul 22 qui fournit les retards TI 1, Ti N, T 1 Le signal r I reçu par l'interrogateur E est appliqué aux N amplificateurs sélectifs 5 1, 5 i, 5 N, centrés sur les fréquences fl fil f N Les signaux filtrés et amplifiés sont détectés dans les circuits 511, 51 i, 51 N Les signaux détectés sont appliqués à des circuits 52 1, 52 i, 52 N qui fournissent des impulsions pour arrêter les compteurs 53 1, 53 i, 53 N, qui comptent des impulsions Ho O d'une horloge 30 La remise à zéro se faisant par les signaux H 1 Les compteurs fournissent ainsi les retards T'l, -i, TIN, utilisés pour le calcul de la vitesse C. La figure 4 donne le schéma réception-émission d'une bouée répon- deuse classique B Le signal reçu ri est amplifié et filtré autour de la fréquence f par le circuit 41 et détecté par le circuit 42 Le signal détecté DI est appliqué à un comparateur de seuil 43 Le signal de comparaison est appliqué à un premier monostable 44 qui fournit une impulsion rectangulaire Sil Le front arrière de cette impulsion déclenche un second monostable 45 fournissant une impulsion rectangulaire retardée Sf 2, qui commande par un modulateur 47, le signal d'un oscillateur 46 à la fréquence fi caractéristique de la bouée B Le signal est appliqué aux circuits d'émission 48 qui fournissent le signal d'émission de la bouée répondeuse B 1. La figure 5 montre quelques signaux temporels Le signal détecté Di déclenche l'impulsion rectangulaire Sil de largeur A ti dont le front arrière déclenche une nouvelle, impulsion rectangulaire S 2 de durée T On obtient ainsi une émission retardée, ce qui permet de bien séparer l'émission de la réception. Les figures 6 et 7 montrent respectivement les schémas de réception et de traitement à bord du bateau 1 et du sous- marin 2 L'antenne acoustique de réception A 1 reçoit un signal r M, qui est appliqué au circuit 42 analogue au circuit 22 de la figure 3 Ce circuit fournit les retards t 1, Ti, N, des signaux de réponse des bouées répondeuses Le signal d'horloge H 1 fournit le temps t d'émission de l'interrogateur E au circuit 42 Le circuit de calcul 43 reçoit d'une part les données variables des retards et de la vitesse des ondes acoustiques et d'autre part d'une mémoire 60 les données fixes, telles que les coordonnées de l'interrogateur et des bouées Il fournit les coordonnées X et Y du mobile. Pour les bateaux, figure 6, les valeurs de C et les impulsions d'horloge H 1 sont fournies par le signal r H C reçu par l'antenne radioélectrique 6 et traité par les circuits de détectionl 44. Pour un mobile sous-marin 2, figure 7, les signaux d'horloge H sont fournis par une horloge 70 stable à 10, synchronisée avant la plongée avec l'horloge 25 également stable à 10-9 La valeur de C est fournie par une mémoire 71, qui contient les résultats de mesure de C également relevée avant la plongée La mémoire 60 fournit encore les coordonnées de interrogateur et des bouées. La valeur de la profondeur P est mesurée par un instrument 75 et cette valeur de P est fournie au circuit de calcul 61, qui calcule la position du mobile. Suivant une variante de l'invention la position d'un mobile, particuliè- rement celle d'un sous-marin, peut être également connu à bord de la plateforme, l'unité de traitement se trouvant par exemple sur la structure 3 de la figure 1. Dans ce cas unç bouée répondeuse B spéciale est placée sur le mobile ayant une antenne T 2 pour l'émission-réception. Comme précédemment l'interogateur E émet périodiquement des im- pulsions à la fréquence f et les N bouées répondeuses fixes B 1, Bi BN répondent aux fréquences f -fil f N La bouée répondeuse B du mobile 2 répond deux fois: d'une part 19769 directement à l'impulsion de l'interrogateur E et d'autre part à l'impulsion de l'une choisie à priori, des bouées répondeuses fixes. Le trajet interrogateur-interrogateur par la balise fixe et par la balise embarquée étant toujours plus grand que le trajet aller et retour interro- gateur mobile, ces réponses ne sont jamais simultanées On peut donc utiliser une seule fréquence FM de réponse. Le dispositif de réception de l'interrogateur E reçoit ces deux impul- sions de réponses émises par la bouée mobile B située en AM. La réponse directe de la bouée répondeuse B arrive avec un retard IM tel que TIM = 12 EA|/C + At M ( 3) At M est le retard entre émission et réception de la bouée B. La bouée fixe, telle que B choisie à priori, répond à l'impulsion de l'interrogateur E, cette réponse étant reçue par la bouée répondeuse mobile B, qui répond à son tour Cette réponse étant reçue par l'interrogateur E, arrive avec un retard TBM tel que: i T B M = (IE Bil+l Bi AMI+IAMEI)/C + M i+ M ( 4) Connaissant A t M et C la relation ( 3) permet le calcul de EA^j on en déduit la valeur del Bi A Mi d'après la relation ( 4) connaissant IEB Jet Ati. Il est possible de calculer les coordonnées X et Y du mobile avec une seule bouée répondeuse, la profondeur P étant connue, par exemple en transmettant la valeur de P par une transmission acoustique La valeur de C peut être calculée comme précédemment. Il est également possible de traiter les informations à bord d'un bateau de surface, qui reçoit les informations de la plateforme par des signaux radioélectriques. Le dispositif à bord du sous-marin 2 est montré par la figure 8. L'antenne T 2 de la bouée répondeuse mobile B reçoit le signal r M en prove- nance de l'interrogateur E et de l'une des autres bouées répondeuses Le signal r M est appliqué d'une part au circuit d'amplification, filtrage et détection sélectable en fréquence 80 i, pour le signal de réponse de la bouée choisie B. Les signaux amplifiés et détectés sont appliqués aux circuits 81 i et 1976 '9 81.M qui fournissent des impulsions rectangulaires retardées qui comman- dent le modulateur 82 M recevant par ailleurs le signal de fréquence de réémission FM Les signaux obtenus 8 M sont appliquées aux circuits d'émission 85 et fournissant le signal e M, appliqué aux transducteurs T 2 de la bouée répondeuse B. La profondeur P peut être transmise par une troisième réponse de la bouée B, l'écart de temps entre la deuxième et la troisième réponse étant proportionnel à P P étant mesuré par un dispositif 88 et appliqué à un circuit de codage par retard 89 qui reçoit par ailleurs le signal 82 de la deuxième réémission pour commander le modulateur 82 M. La balise réponse B de la figure 8 peut être remplacée avantageuse- ment par: une balise répondeuse classique (fréquence d'interrogation F, fré- quence de réponse sélectable parmi F 1, FN) une balise répondeuse spéciale (fréquence d'interrogation sélectable parmi FP, FN). En conclusion l'invention décrite permet dans une première configuration à un nombre quelconque de bâti- ments de connaître sa propre position dans une deuxième configuration, de connaître ailleurs qu'à leur propre bord la position de plusieurs véhicules sous-marins. 19769 REVENDICATIONS 1 Dispositif de positionnement acoustique d'un véhicule marin com- prenant des N bouées répondeuses fixes B 1, Bi B N, répondant à des impulsions acoustiques à la fréquence f par des impulsions acoustiques aux fréquences f l fie f N caractérisé par le fait que le dispositif comprend en outre une bouée fixe (E) appelée interrogateur, fixée sur une structure ( 3) placée au fond de la mer et que l'interrogateur (E) est relié électriquement par un câble ( 4) à une plateforme, que l'interrogateur émet des impulsions acoustiques à la fréquence f à la cadence H 1 d'une horloge, qui sont reçues par les bouées répondeuses (B 1, Bi,BN) et par l'antenne acoustique (A 1,A 2) du véhicule mobile ( 1,2), cette antenne acoustique (A 1, A 2) recevant par ailleurs les impulsions de réponse des bouées répondeuses (BI, Bi, BN) et que des moyens de traitement permettent connaissant les positions de l'interrogateur (E) et des bouées répondeuses (B 1, Bi, BN), l'instant d'émission et les temps d'arrivée des impulsions acoustiques de calculer, les coordonnées (X, Y) du mobile ( 1,2). 2 Dispositif de positionnement suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les transducteurs de l'antenne acoustique (A 1,A 2) placée sur le véhicule ( 1,2) reçoit les signaux acoustiques (r M) provenant des bouées répondeuses (B 1, Bi, BN); que des moyens permettent d'obtenir à bord des mobile ( 1,2) les signaux d'horloge H 1, qu'un circuit ( 42) comprenant des amplificateurs sélectifs aux fréquences fl fi f N des détecteurs et des compteurs H 1 fournit les valeurs des retards ( T 1, Ti, TN) de ces impulsions, qui sont appliqués à un circuit de calcul ( 43), qui reçoit les valeurs de la vitesse des ondes acoustiques C, les coordonnées de positions des bouées répondeuses (BI, Bi, BN) et de l'interrogateur (E) ainsi que les retards réception-émission Ati des bouées répondeuses, fournit à bord du véhicule ( 1,2) les valeurs de ses coordonnées (X, Y). 3 Dipositif de positionnement suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que le véhicule est un bateau de surface ( 1), que sur la plateforme de la structure ( 3) est placée une antenne radioélectrique ( 5) qui émet des signaux, qui sont reçus par une antenne de réception ( 6) sur le bateau ( 1). 4 Dispositif de positionnement suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que l'oscillateur ( 13), fournissant les signaux d'émission de l'antenne radioélectrique ( 5) placée sur la plateforme, est modulé par les signaux d'horloge HI, que l'antenne de réception radio-électrique ( 6) à bord du véhicule capte les signaux d'horloge HI, qui sont fournis au dispositif de traitement ( 42) qui fournit les retards Ti. Dispositif de positionnement suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que les signaux d'horloge H 1 sont fournis sur la plateforme par une première horloge stable ( 25) et que le mobile ( 1,2) comprend une seconde horloge stable ( 7) fournissant les signaux d'horloge H 1 au circuit de traitement ( 42) à bord du mobile, ce circuit ( 42) recevant par ailleurs la valeur de la profondeur P et la valeur de la vitesse C fournie par une mémoire. 6 Dispositif de positionnement suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que l'interrogateur (E) fonctionne également à la réception, captant les impulsions de réponses des bouées répondeuses (BI, Bi, BN), et que le signal reçu (r 1) est appliqué à un circuit ( 22) fournissant les retards T Ii des impulsions reçues et qu'un circuit de calcul ( 23) fournit la vitesse acoustique moyenne C. 7 Dispositif de positionnement suivant les revendications 5 et 6 caractérisé par le fait que la valeur de la vitesse C est également transmise par l'antenne d'émission ( 5) et reçu par l'antenne de réception ( 6), cette valeur C étant appliqué au circuit de calcul ( 43) qui fournit la position du véhicule. 8 Dispositif de positionnement suivant la revendication 1 caractérisé par le fait qu'à bord du véhicule ( 2) se trouve une bouée répondeuse (B) répondant aux impulsions de l'interrogateur (E) et aux impulsions de réponse de l'une (B) des bouées des bouées répondeuses (BI, Bi, BN) par des i impulsions acoustiques et que les impulsions de réponse de la bouée mobile (B), contenant sous forme codée la valeur de la profondeur P du véhicule, sont reçues par l'interrogateur (E) et que des moyens de calcul permettent à partir des retards de calculer la position (X, Y, P) du mobile, par des circuits se trouvant sur la plateforme. 19769 9 Dispositif de positionnement suivant la revendication 8 caractérisé par le fait que la bouée (B) est remplacée par deux bouées dont l'une est une bouée répondeuse classique semblable à l'une quelconque des bouées (B 1, Bi, BN) et l'autre une bouée répondeuse répondant à l'une Bl des bouées répondeuses (BI, Bi, BN). Dispositif de positionnement suivant les revendications 8 et 9 caractérisé par le fait que la position (X, Y, P) du véhicule ( 2) est retransmise par radio.