Brevet FR2722883A1 — publié le 19960126

La présente invention se rapporte aux systèmes qui permettent de déterminer la position d'un véhicule sous-marin autonome en utilisant des moyens de transmission acoustiques. Elle permet en outre à partir des indications ainsi obtenues de guider ce véhicule, notamment le long d'une trajectoire préalablement déterminée. L'acquisition en temps réel des données de positionnement d'un véhicule sous-marin autonome est essentielle pour lui permettre de se déplacer, et pour prévoir sa trajectoire. Ces données peuvent être simplement bidimensionnelles, correspondant à une localisation sur une carte, ou tridimensionnelles, permettant de déterminer en outre l'immersion du sous-marin et donc sa marge de sécurité par rapport au fond de la mer. On a proposé pour la localisation en milieu aérien, pour des engins terrestres et/ou volants, de nombreux systèmes utilisant des capteurs, associés ou non à des algorithmes de vision et de reconnaissance des formes, et certains de ces procédés ont été transposés au milieu sousmarin. Toutefois on ne peut pas utiliser des systèmes électromagnétiques d'aide à la navigation, tels que les satellites, la radio etc., dans des conditions opérationnelles normales d'exploration sous-marine en raison de l'absence de propagation des ondes électro-magnétiques dans l'eau de mer. Pour utiliser de tels systèmes il faudrait en effet soit utiliser une antenne remorquée au voisinage de la surface, soit effectuer périodiquement des reprises de vues. Si de tels systèmes sont parfois utilisés dans des conditions très particulières, ils sont le plus souvent dangereux à cause des risques de collision et ils ne sont pas adaptés à de nombreuses missions telles que le suivi des fonds océaniques. On est alors amené à utiliser d'autres techniques, parmi lesquelles on citera en particulier les méthodes de navigation inertielles qui utilisent les indications d'un certain nombre de capteurs qui permettent de déterminer en particulier la vitesse d'accélération, le cap et la verticale. A partir d'une position initiale connue, la position actuelle du véhicule est obtenue alors par intégration des données ainsi obtenues. Malheureusement ces systèmes de navigation inertiels présentent des dérives plus ou moins importantes au cours du temps, ce qui ne les rend dérives plus ou moins importantes au cours du temps, ce qui ne les rend utilisables tous seuls que pour des missions de faible autonomie, généralement en environnement non hostile. Si l'on veut augmenter l'autonomie du véhicule, il faut recaler périodiquement la centrale à inertie avec des moyens externes du type acoustique, optique ou électromagnétique, et on est alors amené au cas précédent de la reprise de vue, dont on a déjà souligné les inconvénients. Une autre méthode actuellement utilisée consiste à effectuer un positionnement relatif par rapport à une ou plusieurs références extemes. Ce positionnement est soit du type instantané utilisant en mode passif la mesure des retards différentiels entre au moins 3, et souvent plus, émetteurs acoustiques dont les positions sont connues, soit du type relatif utilisant au moins une, et de préférence deux, références avec une séquence d'interrogation-réponse en mode actif, la référence étant alors une balise répondeuse ou "transpondeur". Cette dernière méthode est en particulier décrite dans la demande de brevet français n" 90 02809, déposée par la demanderesse le 6 mars 1990 et publiée le 13 septembre 1991 sous le n"2 659451. Ces systèmes utilisant uniquement des références extemes sont essentiellement dédiés au positionnement du véhicule. Ils nécessitent alors l'adjonction d'un autre système destiné à planifier la trajectoire et à guider le véhicule autonome par rapport à cette trajectoire. En outre si l'on souhaite utiliser un nombre réduit, inférieur à 3, de références, on est amené à utiliser un mode actif comportant un émetteur embarqué sur le véhicule, de manière à pouvoir obtenir en temps quasi réel l'information de position souhaitée. Ce supplément de matériel entraîne à la fois une réduction de la fiabilité globale du système et une réduction de l'autonomie du véhicule, par consommation supplémentaire d'énergie, sans cependant garantir que les informations disponibles seront utilisées de la manière la meilleure. On souhaite donc pouvoir guider un véhicule mobile autonome se déplaçant en milieu sous-marin, tout en respectant les contraintes majeures suivantes: - minimisation de l'énergie consommée par le système, - maximisation de la fiabilité du système, - minimisation du risque de collision avec un navire, - possibilité de replanification de la mission, - disponibilité d'un mode de survie permettant le retour à la base de départ, et - maximum de discrétion. Outre une fonction principale de détermination de la position du véhicule, on souhaite également pouvoir obtenir un guidage automatique par rapport à une trajectoire prédéfinie, ainsi qu'une planification de la route à suivre et une possibilité de replanification de cette route en fonction de la situation effectivement rencontrée par le véhicule, telle que la présence d'obstacles inattendus, un changement de mission, etc. Pour résoudre ce problème, I'invention propose un système de positionnement acoustique d'un véhicule sous-marin autonome, utilisant des émetteurs de signaux acoustiques et des récepteurs de ces signaux, principalement caractérisé en ce qu'il comprend seulement deux émetteurs extérieurs au véhicule pour émettre des signaux acoustiques de fréquences distinctes synchrones l'un de l'autre, un récepteur acoustique-omnidirectionnel unique situé sur le véhicule pour recevoir ces signaux, et des moyens de traitement des signaux reçus par ce récepteur pour déterminer les distances entre le véhicule et les émetteurs et les composantes radiales de la vitesse du véhicule par rapport aux émetteurs et déterminer à partir de ces résultats la position du véhicule par rapport aux émetteurs. Selon une autre caractéristique, les moyens de traitement des signaux comprennent des moyens pour déterminer le retard d'un signal par rapport à l'autre, des moyens pour remttre en coïncidence temporelle ces signaux, des moyens pour effectuer une intercorrélation des signaux ainsi remis en coïncidence temporelle, des moyens pour filtrer passe-bas et passe-haut le signal résultant de cette intercorrélation et obtenir ainsi la différence et la somme des fréquences des signaux reçus, et des moyens de calcul pour déterminer à partir de cette somme et de cette différence lesdites distances et composantes radiales de la vitesse. Selon une autre caractéristique, les moyens de calcul utilisent en outre la distance entre les deux émetteurs et le module de la vitesse du véhicule, ce module étant obtenu par un loch faisant partie du véhicule. Selon une autre caractéristique, les émetteurs sont remorqués par un bâtiment de servitude et les moyens de calcul utilisent en outre la différence angulaire entre le cap du véhicule et la direction de l'alignement formé par les deux émetteurs ainsi que le module de la vitesse du véhicule; ce module étant déterminé par un loch faisant partie du véhicule. Selon une autre caractéristique, les moyens de calcul utilisent un algorithme de récurrence par calcul matriciel. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante, présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1: un schéma simplifié du système selon l'invention; - la figure 2 : un schéma-bloc des organes de traitement des signaux situés dans le véhicule autonome - la figure 3: un diagramme permettant de définir les angles et les distances utilisés dans les calculs - la figure 4 : une vue schématique de l'ensemble du système dans le cas de bases fixes; et - la figure 5 : une vue d'ensemble du système dans le cas de bases remorquées. Comme représenté sur la figure 1, le système utilise pour déterminer la position du véhicule autonome M deux émetteur El et E2 qui envoient chacun des signaux à des fréquences F1 et F2 synchronisés entre eux à partir d'un même générateur de signal d'horloge synchronisé 101. Le cas échéant, s'il y avait des difficultés de liaison entre ces deux émetteurs par exemple, on pourrait utiliser des horloges synchrones dont le synchronisme est maintenu par des méthodes connues en elles-mêmes. Le véhicule M est situé à une distance RI de l'émetteur El et à une distance R2 de l'émetteur E2. Sa vitesse V projetée sur les axes E1M et E2M est égale respectivement à VR1 et VR2. Les signaux reçus par le capteur uniquement passif embarqué sur le véhicule sont affectés de décalages en fréquence dus aux mouvements relatifs entre les émetteurs et le véhicule. Si les émetteurs sont fixes, seuls les mouvements propres du véhicule interviennent dans ce décalage en fréquence. A chaque top de synchronisation, les émetteurs El et E2 émettent chacun un signal dont les caractéristiques, la fréquence centrale, la durée et la loi de modulation par exemple, sont mémorisées par avance dans le récepteur situé dans le véhicule. A titre de simplification, pour les explications qui suivent on supposera que les signaux émis sont des fréquences pures, mais le système de l'invention est identique pour des signaux plus complexes, par exemple modulés en fréquence ou selon des codes pseudo-aléatoires. Les signaux de cet exemple sont donc de la forme: Sl(t) = Asin (2sE1t) (1) S2(t) = Asin (2sF2t) (2) En supposant que le milieu de propagation des signaux acoustiques est isotrope et isocélère, c'est-à-dire que la vitesse du son y est constante et égale à c, le retard différentiel entre les deux signaux lorsqu'ils sont reçus sur le capteur 102 porté par le véhicule et représenté sur la figure 2 est donné par: (t2-tl)=(R2-Rl)/c (3) Dans ces conditions si le mouvement du véhicule est rectiligne et uniforme, les fréquences des signaux reçus sont donnés par: FR1 =F1x(1 +VR11c) FR2 = F2x(1 + VR2/c) (4) De manière classique on filtre alors ces signaux dans des filtres 103 et 104 centrés sur les fréquences f1 et f2 avec une bande passante correspondant à l'écart doppler maximal, pour obtenir des signaux de réception donnés par les formules: SR1 =Aîxsin [2nFRlx(t-t1 )i SR2=A2xsin [2ulFR2x(t-t2)] (5) On mesure ensuite le retard différentiel t1 - t2 dans un dispositif 105, selon une technique de comparaison connue. Ceci permet de remettre en correspondance temporelle les deux signaux en retardant l'un d'entre eux dans un dispositif de retard commandable 106 qui fonctionne de manière connue sous l'action du signal de mesure du retard différentiel délivré par le dispositif 105. Les deux signaux remis ainsi en coïncidence temporelle sont alors appliqués à un dispositif d'intercorrélation connu 107, dont l'action correspond à la formule: Al x A2 [cos27C(AFR)t + cos 2x(SFR)t]/2 (6) avec AFR = FR1 - FR2 et SFR = FR1 + FR2 Le signal délivré par cet intercorrélateur est appliqué à un filtre passe-basse 108, qui permet d'obtenir un signal représentatif de VR1 - VR2 et à un filtre passe-haut 109, qui permet d'obtenir un signal représentatif de VR1 + VR2. On obtient alors les distances R1 et R2 et les vitesses VR1 et VR2 en résolvant dans un calculateur de positionnement et de guidage 110 un système de 4 équations dont 3 sont données par les formules suivantes: VR1 - VR2 = c AFR VR1 - VR2 = c SFR (7) R1 - R2 = c (tl -t2) Pour obtenir la quatrième équation, il faut connaître la distance L entre les deux émetteurs El et E2 et le module V de la vitesse du véhicule, ainsi que la différence angulaire y entre le cap du véhicule et la direction de l'alignement formé par les deux émetteurs El et E2. Ces paramètres, ainsi que les angles et les distances nécessaires au calcul sont représentés sur la figure 3. Ces deux modes de calcul se différencient essentiellement selon la manière dont sont fixés les émetteurs El et E2. Lorsque, comme dans la figure 4, les émetteurs El et E2 sont fixés sur le fond de la mer, la meilleure méthode consiste à utiliser la distance L et le module V de la vitesse. Ce dernier est obtenu par exemple à l'aide un loch de type connu fixé sur le véhicule M. Dans ce cas les angles a1, oe2, Ol et 02 répondent aux formules suivantes: VR1 cos&alpha;1 = V R1 V VR2 COSa2 = (8) v Û1 - 02 = a2 - a1 et dans ces conditions le triangle dont les sommets sont El, E2 et M permet d'obtenir la quatrième équation: R12 + R22 = L2 + 2R1 R2 cos (0 2) (9) Lorsque par contre les émetteurs El et E2 sont remorqués par un navire de servitude, comme représenté sur la figure 5, il est préférable d'utiliser la différence angulaire y, obtenue par différence entre le cap du véhicule M, mesuré de manière interne par des moyens connus, et la direction de l'alignement des émetteurs El et E2, obtenue à partir du cap du bâtiment, lui-même mesuré par des moyens connus et transmis de manière codé sur les signaux F1 et/ou F2. Dans la pratique, compte tenu des moyens de remorquage utilisés, comportant par exemple les dépresseurs 111, permettant de maintenir de manière suffisamment constante les émetteurs par rapport au bateau de remorquage, le cap de ce bateau et la direction de l'alignement des émetteurs est une donnée connue qui reste constante. Dans ces conditions la relation entre &alpha;1, &alpha;2, #1, #2 et &gamma; est donnée: Oî + =02+a2=7cI2+y (10) et la quatrième équation est alors donnée par: R2 ~ cosy R1 cos En fonction des résultats de ces calculs, qui permettent d'obtenir la position du véhicule, le calculateur de guidage peut envoyer aux gouvernes du véhicule, ainsi qu'éventuellement aux commandes du moteur de celui-ci, des signaux permettant de suivre une trajectoire déterminée à l'avance et éventuellement rectifiée au fur et à mesure en fonction des observations effectuées par le véhicule. Selon une variante de réalisation on utilise un algorithme permettant de résoudre un autre système de quatre équations obtenues en remarquant que VR1 = dRl/dT et VR2 = dR2/dT: U1 (k) dR1 dR2 =c#FR dt dt U2 (k) = d 1 + dR2 = c SFR (12) dt dt U2(k) Rl(k)- R2(k) = c(ll - t2) U4 (k) = R1 (k) + R2 (k) = non mesuré Le paramètre U4 n'est pas mesuré et c'est justement le système algorithmique qui permet de pallier cette absence de mesure en obtenant une convergence rapide par itération des calculs. Pour cela on applique la formule de récurrence suivante: Uk = AUk-1 =AkU0, dans laquelle U0 est l'état initial (13) Cette formule correspond à un calcul matriciel dans lequel A correspond à la matrice suivante, où T est le pas temporel du calcul: Selon l'espacement choisi entre les émetteurs, et les paramètres retenus pour les signaux transmis, ce système peut être utilisé dans un domaine s'étendant de quelques centaines de mètres à plusieurs dizaines, éventuellement quelques centaines, de kilomètres. Comme les émetteurs sont externes au véhicule, la puissance émise n'est en pratique pas limitée, si ce n'est par les contraintes classiques de réalisation des émetteurs acoustiques. En direction le domaine d'utilisation est lui aussi très large et atteint au moins 1800. On peut l'étendre à 360" en levant l'ambiguité résultant de la symétrie du système d'émission par des moyens connus, un test de vraisemblance par exemple. A titre d'exemple de réalisation, on notera que pour un espacement de quelques mètres et des fréquences d'émission comprises entre 20 et 100 KHz, la portée peut atteindre un kilomètre avec une précision de 10 cm. Enfin il est très facile de déterminer une ou plusieurs trajectoires particulières pour lesquelles on déterminera à l'avance les couples retard écart-doppler correspondant aux différents points de la trajectoire. A partir de ces résultats ainsi mémorisés, on pourra alors guider le véhicule autonome le long de la trajectoire choisie en effectuant une correction rétroactive pour ramener les mesures effectives sur les valeurs prédéterminées. La réalisation est encore plus simple lorsque que l'on décide d'utiliser les trajectoires correspondant à des courbes iso-retard différentiels. On obtient ainsi un moyen particulièrement simple de guidage en retour vers la base de départ pour obtenir la fonction dite de "homing". Bien entendu la description précédente ne donne les distances et les vitesses par rapport aux émetteurs que dans un plan défini par ces émetteurs et le véhicule. Selon l'inclinaison de ce plan, correspondant à la différence d'immersion entre le véhicule et les émetteurs, on aura une erreur systématique sur le positionnement par rapport à la carte plane du lieu. Pour éliminer cette erreur il suffit de déterminer l'immersion du véhicule, soit par un capteur de pression soit par un sondeur, et d'introduire de manière simple et connue dans l'art cette immersion dans les calculs afin de procéder à la correction nécessaire. Ceci permettra en outre de tenir compte de l'immersion pour l'émission opérationnelle du véhicule, en évitant par exemple qu'il ne vienne percuter un accident de la surface du fond de la mer. 1. Système de positionnement acoustique d'un véhicule sous marin autonome utilisant des émetteurs de signaux acoustiques et des récepteurs de ces signaux, caractérisé en ce qu'il comprend seulement deux émetteurs (El, E2) extérieurs au véhicule (M) pour émettre des signaux acoustiques de fréquences distinctes synchrones l'un de l'autre, un récepteur acoustique-omnidirectionnel unique (102) situé sur le véhicule (M) pour recevoir ces signaux, et des moyens de traitement (102-108) des signaux reçus par ce récepteur pour déterminer les distances (R1, R2) entre le véhicule et les émetteurs et les composantes radiales (VR1, VR2) de la vitesse du véhicule par rapport aux émetteurs et déterminer à partir de ces résultats la position du véhicule par rapport aux émetteurs. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement des signaux comprennent des moyens (105) pour déterminer le retard d'un signal par rapport à l'autre, des moyens (106) pour remttre en coïncidence temporelle ces signaux, des moyens (107) pour effectuer une intercorrélation des signaux ainsi remis en coïncidence temporelle, des moyens pour filtrer passe-bas (108) et passe-haut (109) le signal résultant de cette intercorrélation et obtenir ainsi la différence et la somme des fréquences des signaux reçus, et des moyens de calcul (110) pour déterminer à partir de cette somme et de cette différence lesdites distances et composantes radiales de la vitesse. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de calcul utilisent en outre la distance (L) entre les deux émetteurs et le module de la vitesse (V) du véhicule ; ce module étant obtenu par un loch faisant partie du véhicule. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les émetteurs (El, E2) sont remorqués par un bâtiment de servitude et que les moyens de calcul (110) utilisent en outre la différence angulaire (y) entre le cap du véhicule (M) et la direction de l'alignement formé par les deux émetteurs, ainsi que le module de la vitesse (v) du véhicule ; ce module étant déterminé par un loch faisant partie du véhicule. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de calcul (110) utilisent un algorithme de récurrence par calcul matriciel.