Brevet FR2785993A1 — publié le 20000519

Procédé et dispositif de localisation d'objets sous-marins dotés d'une liaison filaire avec la surface La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de localisation en coordonnées géographiques et immersion, d'un ou plusieurs objets sous-marins dotés d'une liaison filaire avec la surface. Elle s'applique dans de nombreux domaines, notamment à la localisation de sonars remorqués, d'engins fiioguidés, d'objets déposés sur le fond de la mer, etc.,.. Le domaine technique de l'invention est celui des systèmes de localisation utilisant des ondes ultrasonores. On connaît déjà différents systèmes de localisation d'un objet sous-marin qui utilisent notamment des signaux acoustiques. Ces systèmes entrent dans deux grandes familles : ceux dits"Base Longue"et ceux dits"Base Courte". Les systèmes de navigation Base Longue sont caractérisés par la mesure de l'intervalle de temps s'écoulant entre l'émission, par un mobile, d'un signal acoustique et les réponses à ce signal de"n"balises répondeuses disposées au fond de la mer. La connaissance de la celérité du son dans t'eau permet d'en déduire les distances de ce mobile aux balises. Les coordonnées des balises étant connues, il est facile, par une technique de triangulation, d'en déduire la position géographique du mobile. Ces systèmes, bien que précis, sont lourds à mettre en oeuvre (mouillage et récupération des balises). Ils nécessitent une calibration préalable et offrent un taux de rafraîchissement faible (de l'ordre de 5 à 10 secondes). Les systèmes"Base Courte"sont apparus dans les années 1975 avec les navires de forage à positionnement dynamique. Ces matériels permettent de mesurer la position d'un émetteur acoustique immergé par rapport à un référentiel lié aux axes du navire. Le principe physique consiste à mesurer la différence de phase des signaux acoustiques reçus par un groupe d'hydrophones solidaires de la coque du navire. Connaissant les distances séparant les hydrophones, la mesure des différences de phases permet de localiser, par rapport au repère navire, la direction de la source acoustique. L'intersection de cette droite avec le plan horizontal correspondant à l'immersion de l'émetteur permet d'en déterminer les coordonnées. Alternativement, la distance source-navire peut tre obtenue par un cycle de type interrogation-réponse. La position est alors connue en coordonnées polaires. Le passage du repère local au repère absolu géographique se fait par la connaissance du cap, du roulis, du tangage, de la latitude et longitude du navire délivrés par un dispositif de radiolocalisation ou un positionneur par satellites de type D-GPS. Les Bases Courtes nécessitent une installation délicate à bord des navires et sont peu adaptées aux opérations avec un fort déport latéral de l'objet par rapport au navire (cas rencontré par tous petits fonds, cas de sonars remorqués par grands fonds,...). On connaît par ailleurs les dispositifs acoustiques de localisation d'antennes filaires (flûtes) utilisées en sismique pétrolière, tels que celui présenté dans le document US-5.031.159A. Dans le dispositif décrit dans ce document, les émetteurs acoustiques, solidaires des flûtes ne sont pas localisés en coordonnées géographiques. Le dispositif a pour objectif principal de localiser une flûte en coordonnées relatives par rapport à une autre flûte. Par ailleurs, ce dispositif nécessite pour mesurer les distances entre les émetteurs et les récepteurs un trajet aller-retour d'une onde acoustique ou dans l'hypothèse d'un trajet simple une synchronisation de t'émetteur par une deuxième liaison filaire. C'est précisément de ces trajets aller-retour et de cette deuxième liaison filaire que l'on a cherché à s'affranchir par la mise en oeuvre du procédé et du dispositif de l'invention. De plus, le procédé exposé dans le document US-5.031.195A est limité à une utilisation pour des flûtes tractées en subsurface. II ne permet pas une localisation précise de la flûte en coordonnées géographique si elle est tractée en profondeur ou déposée sur le fond de la mer. Depuis quelques années, un intért croissant est porte aux techniques utilisant des bouées localisées par satellites. Ces techniques sont décrites notamment dans les documents US-5.579.285A et US-5.331.602A, ainsi que dans un article paru dans la revue américaine"SEA TECHNOLOGY"du mois d'avril 1998. D'une façon générale, le problème posé consiste à permettre la localisation en coordonnées géographiques tridimensionnelles d'un ou plusieurs objets, voire, un ou plusieurs points d'un mme objet, avec une précision métrique, dans certains cas submétrique. La présente invention s'intéresse aux objets reliés à la surface par un lien filaire (conducteurs métalliques, fibre optique,...). Selon l'invention, une solution au problème de localisation d'un ou plusieurs objets immergés, posés sur le fond ou non, est obtenue grâce à un procédé et à un dispositif utilisant un poste de traitement et un ou plusieurs équipements d'émission de signaux acoustiques situés en surface ou sub-surface (tel une ou plusieurs bouées fixes, remorquées ou auto-propulsees), et un ou des équipements de réception de signaux acoustiques situés sur le ou les objets à localiser et caractérisés en ce que : -chaque équipement d'émission comprend un moyen permettant sa localisation en coordonnées géographiques, un émetteur de signaux acoustiques, une référence d'échelle de temps et un moyen de tététransmission par ondes radioélectriques ; -à chaque équipement sous-marin de réception de signaux acoustiques est associée une référence d'échelle de temps synchrone de la référence d'échelle de temps desdits émetteurs permettant la datation précise de l'instant d'arrivée des signaux acoustiques sur I'hydrophone dudit récepteur ; -chaque équipement sous-marin de réception de signaux acoustiques dispose d'un moyen de télétransmission desdits instants d'arrivée des signaux acoustiques à un poste de traitement ; -I'on dispose d'un poste de traitement où sont centralisées les informations de position issues du ou des équipements d'émission et les informations issues du ou des équipements sous-marins de réception, -ledit moyen de traitement exploite lesdites informations afin de permettre la localisation des dits objets immergés en coordonnées géographiques tridimensionnelles. La solution au problème posé consiste également à utiliser un dispositif selon l'invention par un procédé de localisation d'un ou plusieurs objets sous-marins, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : -on procure un dispositif selon l'invention comprenant un ou plusieurs équipements d'émission et de réception de signaux acoustiques ainsi qu'un poste de traitement, -on déploie un ou plusieurs équipements d'émission sur la zone de travail depuis un moyen aérien ou naval. Ils peuvent tre dérivant, ancrés, tractés ou autopropulsés, -on transmet par des ondes radioélectriques à un poste de traitement la position des émetteurs acoustiques, -on détecte à I'aide de récepteurs acoustiques situés sur les objets à localiser et l'on mesure les instants d'arrivée des signaux acoustiques par rapport à une échelle de référence de temps commune avec celle des émetteurs, -on transmet par une liaison filaire à un poste de traitement, au moins les instants de réception des signaux acoustiques, -on collecte au niveau du poste de traitement les informations de position issues des émetteurs acoustiques et les informations de datation des instants de réception des signaux acoustiques, -on traite les informations ainsi acquises afin de déterminer la ou les positions des récepteurs acoustiques. La conversion des temps de propagation en distances s'effectue par le calcul du produit des temps de propagation par la célérité des ondes acoustiques dans le milieu considéré. La résolution mathématique du problème posé, à savoir, le calcul des coordonnées en latitude et longitude et immersion des points de réception est effectué selon une méthode bien connue de triangulation (intersection de sphères centrées sur les points d'émissions et de rayons égaux aux distances séparant les émetteurs du récepteur telles que celles calculées precédemment) ou par toute autre méthode numérique, telle la méthode dite"des moindres carrées"après prise en compte de l'immersion des objets telles qu'elles peuvent tre déduites de mesures issues de capteurs de pression implantés sur l'objet sous-marin à proximité de I'hydrophone de réception. Le résultat est un nouveau procédé et un nouveau dispositif de localisation d'un ou plusieurs objets immergés utilisant un ou plusieurs équipements d'émission et de réception de signaux acoustiques et un poste de traitement. Les principales caractéristiques de configuration de l'invention portent sur : -I'architecture du système composé d'un poste de traitement, d'équipements d'émission et de réception de signaux acoustiques et des moyens de telétransmission radioélectriques et filaires tels que définis ci-dessus, ainsi que son procédé de mise en oeuvre, -le choix et la nature des modules électroniques implantés dans chacun des équipements d'émission ou de réception, -le choix des informations qui y sont acquises, transmises ou éventuellement mémorisées, -le type des informations transmises entre les différents matériels du dispositif, -le sens de transmission des signaux acoustiques, à savoir, de la surface vers le fond, -le sens des transmissions d'informations de position par des ondes radioélectriques, à savoir, des équipements d'émission de signaux acoustiques vers le poste de traitement, -le sens des transmissions d'informations de datation des instants de réception des signaux acoustiques, à savoir, des équipements de réception situés à bord des objets immergés vers le poste de traitement, -les conditions de mise en oeuvre du dispositif. Le dispositif selon l'invention se distingue des équipements de localisation de type"Base Longue"par le fait que les positions des points d'émissions, qui pourraient tre assimilés aux balises sous-marines posées sur le fond, sont constamment évolutives et transmises par un canal radioelectrique au centre de traitement. II se distingue aussi de certaines familles d'équipements connues par le fait que les mesures de distances ne sont pas effectuées par des cycles interrogation-réponse nécessitant un trajet aller-retour des ondes acoustiques ; mais par l'utilisation d'échelles de référence de temps synchrones entre les émetteurs et le ou les récepteurs. II se distingue des systèmes connus utilisant des bouées relais notamment celui décrit dans le document US-5.119.341A, par le fait que le centre de traitement est situé en surface et reçoit tes coordonnées des bouées par un canal radioétectrique et non à bord de l'objet à localiser et recevant les coordonnées des bouées par un canal acoustique. II se distingue du dispositif décrit dans le document US-5.031.159A, par le fait que ses émetteurs acoustiques sont totalement dissociés des objets à localiser. C'est grâce à cette caractéristique, que les nouveaux procédé et dispositif selon l'invention permettent de localiser des objets situés en pleines eaux ou au fond de la mer et ne sont pas imités aux objets situés à proximité immédiate de la surface. II se distingue du dispositif décrit dans le document FR-2.643.463A par le sens des transmissions acoustiques. Dans ce document, les récepteurs acoustiques sont situés en surface, à bord des bouées, et l'émetteur se trouve à bord de l'objet à localiser. Dans le nouveau dispositif selon l'invention, les ondes acoustiques se propagent de la surface vers l'objet sous-marin ; soit à l'inverse du sens retenu par le dispositifbreveté. De ces caractéristiques, il ressort les avantages suivants procurés par le dispositif de l'invention, par rapport aux systèmes connus : -il permet la localisation simultanée d'un nombre illimité d'objets sous-marins dotés d'une liaison filaire vers la surface, -il localise le ou les objets en coordonnées géographiques absolues avec une grande précision, notamment en annulant les erreurs liées à la méconnaissance de la célérité des ondes acoustiques par un prépositionnement des émetteurs de façon symétrique par rapport à l'objet à localiser, -il permet de très hautes cadences de rafraîchissement des données de position, -la position est connue en surface avec un retard très faible ce qui permet d'asservir la position de l'objet sous-marin par des moyens actifs en un temps très court autorisant ainsi un suivi de trajectoire avec une grande finesse, -il ne nécessite aucune calibration préalable, -il est de mise en oeuvre facile. De plus, le dispositif peut tre déployé rapidement sur la zone de travail par tout moyen aéroporté ou naval. Un autre intért du dispositif et du procédé de l'invention, est lié au fait que les signaux acoustiques provenant d'émetteurs éteignes de l'objet localisé, les éventuels autres moyens acoustiques qui seraient portés par l'objet, tel un sonar latéral, ne sont que très peu ou pas du tout perturbés par les émissions du dispositif de localisation. Selon un mode de réalisation préférentiel des dispositif et procédé de localisation d'objet sous-marins de l'invention tel que présenté en Figure 1, le dispositif comprend un navire 1. a remorquant un objet immergé 4 auquel il est relié par une liaison filaire 7, tel qu'un sonar, ledit objet est équipé d'un récepteur de signaux acoustiques 5. Le dispositif comprend aussi un ou plusieurs equipements d'emission de signaux acoustiques 2, lesquels peuvent tre dérivant, tractés depuis le navire ou autopropulsés. Des satellites 3 émettent des signaux radioélectriques qui permettent un positionnement précis en coordonnées géographiques des équipements 2 et du navire 1. a. Un réseau radio local 6 permet des échanges de données entre un poste de traitement 1. b installe sur le navire 1. a et les équipements d'émissions 2. La Figure 2 présente le synoptique d'un équipement d'émission de signaux acoustiques 2 ; il peut tre dérivant, tracté ou autopropulsé. Un récepteur de localisation par satellite 12 transmet sa position toutes les secondes à l'unité de traitement 8. Un émetteur-récepteur radio 14 sert à recevoir et à appliquer au récepteur 12 les éventuelles corrections différentielles reçues par l'équipement 28 (figure 4), situé à bord du navire 1. a. Le mme émetteur-récepteur sert à transmettre, à chaque cycle d'émissions acoustiques, la position de l'équipement d'émission de signaux acoustiques au poste de traitement déporté 1. b à bord du navire 1. a. Une électronique d'émission de signaux acoustiques 9 est activée à intervalles de temps réguliers en utilisant la référence d'échelle de temps 10 issue du récepteur de positionnement par satellites 12. Dans une version autopropulsée, le navire détermine à chaque cycle de traitement la position idéale de chaque flotteur par rapport aux objets à localiser. Connaissant la position actuelle du flotteur, des consignes optimales de cap et de vitesse sont alors générées et transmises par l'émetteur radio 36 du poste de traitement (figure 4). Ces consignes 11. a sont transmises via l'unité de traitement 8 de t'équipement d'émission de signaux acoustiques au calculateur de contrôle-commande 13. a. Ce dernier compare la valeur mesurée du cap telle que délivrée par le capteur de cap 13. c et génère sur le bloc d'asservissement 13. b une correction d'angle de barre. 11 en va de mme pour l'asservissement en vitesse. La vitesse étant connue par dérivation des informations de positions délivrées par le récepteur 12. Le module d'entrée-sorties 13. b prélève des informations sur t'état du mobile autopropulsé en vue de leur retransmission au poste de traitement du navire par l'émetteur radio 14 via la liaison 11. b. La figure 3 présente le synoptique de l'équipement de réception des signaux acoustiques situé à bord de l'objet à localiser. 11 comprend notamment un hydrophone 17, un préamplificateur des signaux acoustiques 18 doté d'un contrôle de gain variable en fonction du temps piloté par la liaison 21 afin que le niveau de signal reçu soit constant quelle que soit sa distance a I'equipement d'émission de signaux acoustiques. Ceci n'est rendu possible que par l'utilisation d'une référence d'échelle de temps commune. Après filtrage 19, le signal subit une conversion analogique numérique 20. Un processeur numérique de traitement du signal 25 effectue les opérations de détection et de datation de l'instant de réception du signal reçu par rapport à la référence d'échelle de temps commune reçue de la surface par la liaison filaire 15. Cette information peut tre provisoirement stockée dans une mémoire 22, puis transmise à la surface, au poste de traitement en utilisant un circuit d'interface 23 et une liaison filaire ascendante 24. Des capteurs d'immersion, de cap, de vitesse et d'attitude 26 optionnels, complètent le dispositif. La figure 4 présente un synoptique du poste de traitement. II comprend une unité centrale 31 servant de circuit d'interface entre les différents matériels et une unité de traitement et de visualisation 39. Un récepteur 29 d'échelle de temps est utilise en vue de transmettre à l'équipement immergé de réception des signaux acoustiques la référence d'échelle de temps commune en utilisant la liaison filaire descendante 30. Le radio modem 36 et sa liaison 38 servent à recevoir les informations de position issues des équipements d'émission de signaux acoustiques 2 et éventuellement à leur transmettre via la liaison 37 des corrections différentielles en provenance d'un récepteur optionnel 28 reçues via la liaison 34. Le circuit d'interface 35 sert à recevoir de l'équipement immergé de réception des signaux acoustiques les informations de datation des instants de réception des signaux acoustiques et leur identification. La position du navire 1. a peut tre connue au niveau du poste de traitement 1. b par exploitation des informations reçues du récepteur de positionnement par satellite 29 via la liaison 33 après application éventuelle de corrections différentieties reçues via la liaison 32. Selon un premier mode particulier de realisation, I'équipement de réception des signaux acoustiques comprend une partie immergée qui comporte un hydrophone situé au niveau du point à localiser, des circuits de conditionnement du signal et d'interface ainsi qu'une liaison filaire vers la surface. La détection et la datation des instants d'arrivée des signaux acoustiques sur I'hydrophone est alors effectuée par des circuits spécifiques situés en surface, à l'autre extrémité de la liaison filaire. Selon un deuxième mode particulier de réalisation, t'équipement embarqué à bord de l'objet comprend des capteurs spécifiques 26 tel qu'un capteur de pression, de cap, de vitesse, d'attitude dont les mesures sont transmises å la surface par la liaison filaire afin d'tre traitées conjointement avec les datations en vue d'améliorer la précision de localisation. Selon un autre mode particulier de réalisation, la liaison filaire entre l'objet immergé et le poste de traitement peut comprendre un dispositif radio situé entre une bouée relais située en surface et le poste de traitement qui peut tre ainsi déporté (cas notamment de l'utilisation d'un hélicoptère). Avantageusement, le procédé selon l'invention comporte la mise en oeuvre des équipements du dispositif décrit ci-dessus et les opérations : -on installe à bord du navire les matériels du poste de traitement, -on déploie sur la zone de travail des bouées d'émission de signaux acoustiques, ancrées, dérivantes, tractées ou autopropulsées, -on déploie depuis un navire un ou des objets sous-marins dotés d'une liaison filaire et d'un ou des équipements de réception de signaux acoustiques, -on active les émissions radioelectriques et acoustiques desdits équipements, -on calcule au niveau du poste de traitement la ou les positions du ou desdits objets, -on transmet éventuellement des nouveaux ordres à des dispositifs de contrôle actif de la position du mobile sous-marin situés à bord de ce dernier. Dans l'hypothèse où les équipements d'émission de signaux acoustiques seraient autopropulsés, on transmet à intervalles de temps réguliers les consignes de cap et de vitesse à suivre. L'objet à localiser et doté d'une liaison filaire peut tre relié à un centre à terre, à un moyen aérien tel un hélicoptère ou à un moyen immergé tel un sous-marin recevant alors les informations de position des émetteurs acoustiques via un relais de surface, soit par une liaison filaire, soit par un canal optronique (faisceau laser modulé par exemple). Selon un autre mode particulier d'utilisation, les équipements d'émission de signaux acoustiques pourraient tre déployés depuis le milieu sous-marin, dans un mouvement ascendant vers la surface. Le présent dispositif de localisation d'objets sous-marins fiés à la surface est plus particulièrement applicable avantageusement aux interventions suivantes : -Opérations de reconnaissance et de levés des fonds marins par des sonars remorqués, -Opérations de sismique pétrolière mettant en oeuvre des chaînes d'hydrophones posées sur le fond de la mer, -Opérations de neutralisation de mines sous-marines par charge autopropulsée filoguidée, -Opérations de lutte anti-torpilles. REVENDICATIONS 1.-Dispositif de localisation d'un ou plusieurs objets sous-marins (4) dotés d'une liaison filaire (7), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un poste de traitement déporté (39), un ou plusieurs équipements d'émissions de signaux acoustiques (2) localisés en coordonnées géographiques, situés en surface ou sub-surface et non lié (s) à l'objet à localiser, un équipement de réception (5) compatible avec les signaux acoustiques émis situé à bord du ou des objets immergés (4), une référence d'échelle de temps commune entre les émetteurs (2) et les récepteurs (5), une transmission par ondes radioélectriques (6) des positions des émetteurs vers le poste de traitement (39). 2.-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des circuits de préamp) ification (18), filtrage (19), numérisation (20), détection (25) et d'interface (23) situés à bord de l'objet immergé (2) et reliés au poste de traitement (39) par une liaison filaire (7), ces circuits étant configurés pour effectuer la détection et la datation des instants d'arrivée des signaux acoustiques au sein de l'objet immergé et pour les transmettre au poste de traitement, via ladite liaison filaire. 3.-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des circuits d'interface (35) et de détection situés à bord du navire (1. a), ces circuits étant configurés pour effectuer, en surface, la détection et la datation des instants d'arrivée des signaux acoustiques. 4.-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les équipements d'émission de signaux acoustiques (2) sont dérivant, ancrés. tractés ou autopropulsés. 5.-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'équipement embarqué à bord de l'objet immergé (2) comporte un ou plusieurs capteurs (26) d'immersion, de cap, de vitesse et d'attitude. 6.-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un canal radioélectrique permettant de relayer la liaison filaire entre le poste de traitement et l'objet immergé, dans la partie aérienne du parcours. 7.-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une liaison filaire descendante ou un canal optique tel un faisceau laser modulé, permettant de relayer la transmission des informations de position des émetteurs acoustiques, de la surface vers un poste de traitement immergé. 8.-Procédé de localisation en coordonnées géographiques d'un ou plusieurs objets immergés utilisant des équipements d'émission et de réception de signaux acoustiques caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : -On procure un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant un ou plusieurs équipements d'émission (2) et de réception de signaux acoustiques (5) ainsi qu'un poste de traitement (39), -On déploie un ou plusieurs équipements d'émission (2) sur la zone de travail depuis un moyen aérien ou naval (1. a). Cet ou ces équipements pouvant tre dérivant, ancrés, tractés ou autopropulsés, -On transmet par des ondes radioélectriques (6) à un poste de traitement la position des émetteurs acoustiques, -On détecte à I'aide de récepteurs acoustiques (5) situés sur les objets à localiser et l'on mesure les instants d'arrivée des signaux acoustiques par rapport à une échelle de référence de temps commune avec celle des émetteurs, -On transmet par une liaison filaire (7) à un poste de traitement (1. b), au moins les instants de réception des signaux acoustiques, -On collecte au niveau du poste de traitement (39) les informations de position issues des émetteurs acoustiques et les informations de datation des instants de réception des signaux acoustiques, -On traite les informations ainsi acquises afin de déterminer la ou les positions des récepteurs acoustiques (5), -On transmet éventuellement des nouveaux ordres à des dispositifs de contrôle actif de la position du mobile sous-marin (4), -On transmet éventuellement des nouveaux ordres à des dispositifs de contrôle actif de la position des équipements d'émissions acoustiques (2). 9.-Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le navire (1. a) est remplacé par un centre à terre, un moyen aérien ou sous-marin et en ce que, dans ce dernier cas, les équipements d'émission de signaux acoustiques (2) sont déployés depuis le milieu sous-marin, dans un mouvement ascendant vers la surface. 10.-Procédé selon l'une des revendications 8 à 9, caractérisé en ce que la liaison filaire entre le poste de traitement (1. b) et l'objet immergé (4) est relayée dans la partie aérienne du parcours par un canal radioélectrique.