Brevet FR2806167A1 — publié le 20010914

Emetteur de localisation sous-marine à étalement temporel et spectral, et procédé et installation utilisant de tels émetteurs. 1. Objet L'invention se rapporte au domaine de la localisation sous-marine par ondes acoustiques et a plus particulièrement pour objet les émetteurs portés par matériels ou mobiles à localiser et éventuellement à identifier. Elle vise également un procédé et une installation comportant application de tels émetteurs. Etat de la technique. Différentes techniques sont mises en oeuvre en localisation sous-marine. Elles utilisent en général la propagation d'ondes acoustiques. Une première méthode consiste à doter le mobile à localiser d'un émetteur récepteur. Le mobile interroge à cadence régulière des balises posées au fond de la mer. La mesure des temps de propagation, aller et retour, des ondes acoustiques permet, connaissant la célérité du son dans l'eau, d'en déduire les distances mobile-balises. Les coordonnées des balises étant connues, le mobile se trouve alors localisé à l'intersection de sphères centrées sur les balises et de rayons égaux aux temps de propagation divisés par deux fois la célérité et corrigé, si nécessaire, d'un éventuel retard. Cette technique bien connue s'appelle la localisation par "Base Longue". Des systèmes plus performants sont mis en oeuvre par des centres d'essais militaires. Ce sont, par exemple, des systèmes de trajectographie de torpilles. Ils sont fixes mobiles. Dans les deux cas, les points de réception des signaux acoustiques sont des hydrophones, situés soit à proximité du fond de la mer, soit suspendus a des bouées. Le brevet Européen N' 0 243 240 de la société THOMSON-CSF décrit un tel dispositif. Les mobiles à trajectographier sont dotes d'émetteurs acoustiques. Ils émettent périodiquement, par exemple, avec récurrence de 500 ms, des trains d'impulsions choisies parmi deux fréquences (technique dite SFSK en terminologie anglo-saxonne). D'autres émetteurs utilisés en trajectographie transmettent une premiere impulsion, à cadence de 1 Hz, suivie d'une impulsion décalée d'un facteur constant et d'une grandeur proportionnelle à l'immersion du mobile. Ces émetteurs peuvent disposer d'une horloge calée sur une référence de temps externe préalablement au lancement du mobile. Ils sont alors dits synchrones. L'on connaît aussi les émetteurs acoustiques destinés à la relocalisation de boites noires d'aéronef abîmé en mer. Ils transmettent des impulsions de fréquence pure à 37,5 kHz qui, si elles permettent de se guider vers la source, ne rendent pas possible son identification. En effet, l'émetteur de la boite contenant les enregistrements vocaux transmet les mêmes signaux que la boite renfermant des informations relatives aux paramètres de vol ; ce qui a pour effet de compliquer les opérations de recherche et de récupération. Les émetteurs existants présentent de nombreuses limitations, tout particulièrement lorsque de nombreux mobiles à trajectographier sont présents simultanément dans l'eau. C'est le cas notamment s'il s'agit d'un groupe de plongeurs sous-marins. En effet, la réception simultanée, sur un même hydrophone, d'impulsions acoustiques provenant de mobiles différents pose des problèmes de détection. Parmi ceux-ci, sans que cette liste ne soit limitative, on peut citer : le mauvais ajustement des boucles de contrôle automatique de gain des préamplificateurs, les phénomènes d'interférences des ondes qui se traduisent par l'évanouissement ou la surabondance de signaux. De plus, il convient de considerer non seulement les interférences entre les ondes directes ; mais aussi les interférences avec les multi-trajets fréquemment rencontrés par petits et moyens fonds. lis sont liés aux réflexions multiples des signaux sur le fond et la surface la mer. A titre d'exemple, supposons l'on veuille localiser une équipe de 2, 4 ou 8 plongeurs à l'aide d'un dispositif de 4 bouées situées en surface, stabilisées par ancrage, selon une configuration en carré de 1000 m de coté. Considérons que les plongeurs sont dotés d'émetteurs traditionnels et transmettent chacun sur une fréquence qui lui est propre deux impulsions acoustiques, l'une synchrone d'une référence de temps (le temps GPS par exemple), l'autre impulsion permettant de coder son immersion selon le procédé précédemment décrit. Cette impulsion étant émise avec un retard de 45 millisecondes, correspondant à une immersion de 30m par exemple. La table ci-après présente la probabilité de détecter sans interférence la première émission d'un plongeur donné sur au moins trois bouées, ce nombre étant le minimum requis pour localiser le plongeur en coordonnées X-Y sans ambiguïté. Probabilité Maille Maille Maille Maille 5 M 50 M 500 rn 1000 M Plongeurs 0% 30% 95% 97% Plongeurs 0% 2% 65% 85 Plongeurs 0% 0% 30% 60 En colonnes, figurent différentes tailles de maille. Une maille de 500 m signifie que les plongeurs sont distribués de façon aléatoire dans un volume de 500 x 500 m, avec une immersion comprise entre 20 et mètres. Dans les calculs, les phénomènes de multi-trajets sont supposés créer des interférences pendant une durée de 10 millisecondes suivant la fin de l'émission d'une impulsion acoustique de durée 5 millisecondes. La table ci-dessus démontre qu'il est très difficile de localiser des plongeurs, à cadence élevée, dès lors qu'ils sont regroupés à l'intérieur d'un petit volume et utilisent des émetteurs synchrones et une récurrence d'émission identique pour tous les plongeurs. 3. Problème posé D'une façon générale, le problème posé consiste à permettre la localisation et l'identification d'un ensemble d'objets ou de mobiles sous-marins ; ce, de façon précise, sans ambiguïté et quelle que soit la position des mobiles les uns par rapport aux autres et par rapport aux hydrophones de détection. Par ailleurs, le coût fabrication de ces émetteurs doit être faible. 4.- solution selon l'invention aux problèmes posés. Les emetteurs acoustiques de localisation objet de la présente invention sont caractérisés par le fait qu'ils possèdent des circuits électroniques de génération de signaux acoustiques apériodiques, selon une séquence pseudo-aleatoire prédeterminée et connue, tant au niveau de l'équipement d'émission lui-même, qu' niveau des équipements de réception ou du centre de traitement. Selon une autre disposition caractéristique, lesdits circuits électroniques sont configurés de sorte que la séquence pseudo-aléatoire apériodique qu'ils génerent, soit une suite de signaux codés par des sauts dans des bandes de fréquences larges ou étroites, selon un ordonnancement prédéterminé et connu, tant au niveau de l'équipement d'émission lui-même, qu'au niveau des équipements de réception ou du centre de traitement. L'installation selon l'invention est remarquable par le fait qu'elle comprend des émetteurs aptes à générer des signaux acoustiques apériodiques, rendus solidaires des matériels ou mobiles à localiser et/ou à identifier ; - un des points de mesure dotés d'un récepteur acoustique, d'une référence d'échelle de temps et d'un moyen de localisation dudit point de mesure ; - et un ou des centres de traitement permettant l'identification des émetteurs par des calculs correction de niveau 2 entre une série d'instants de réception des signaux et les sequences pseudo-aléatoires propres à chaque émetteur. procédé de l'invention est remarquable en ce que l'on équipe les matériels ou mobiles à localiser etiou à identifier, d'émetteurs acoustiques transmettant signaux apériodiques selon une séquence pseudo-aléatoire prédéterminée deploie, sur la zone de travail où sont situés les matériels ou les mobiles à localiser, un ou plusieurs points de mesure dotés, chacun, d'un récepteur acoustique, d'une référence d'échelle de temps et d'un moyen de localisation dudit point de mesure ; on transmet à un centre de traitement les informations issues des points de mesure où, à chaque instant de détection sur une bande de fréquence donnée, l'on associe une datation précise dans un référentiel d'échelle temps et une position dudit point de mesure dans un référentiel spatial ; l'ensemble de ces informations provenant de différents points de mesure étant regroupé audit centre de traitement en vue de leur exploitation par corrélation niveau 2 avec les séquences pseudo-aléatoire de référence correspondant chacun des émetteurs recherchés. Comme il sera vu ci-après, lors de la description d'un mode de réalisation, une solution particulière au problème posé consiste à faire émettre par chaque mobile, cycliquement, une série de signaux acoustiques apériodiques. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. La figure 1 représente le séquencement temporel des codes émis. La figure 2 représente le synoptique émetteur acoustique. La figure 3 représente l'étalement spatial des codes émis. La figure 4 représente l'occupation temporelle des codes émis lors de l'utilisation d'émetteurs traditionnels de trajectographie utilisés en mode synchrone. La figure 5 représente l'occupation temporelle des codes émis utilisant le procédé d'étalement temporel objet présente invention. La figure 6 représente la clef de décodage. Dans la table précédemment représentée figurent les probabilités de détection d'une émission acoustique en provenance d'un émetteur sur au moins trois points de réception ; ce, sans interférence, lors de l'utilisation d'émetteurs traditionnels de trajectographie utilisés mode synchrone. D'une manière générale, le moyen de localisation de mobiles sous-marins, mettant en oeuvre les émetteurs objet la présente invention, est constitué d'un ensemble de points de réception largement espacés. Dans ce qui suit, nous supposerons que ces points de réception sont constitués d'hydrophones situés à la verticale de bouées. Les points de reception intègrent des électroniques de détection et de localisation dudit point réception. La figure 1 présente un exemple de sequencement pseudo-aléatoire de codes PO à P4 à étalement temporel. Dans ce cas particulier, 5 codes sont émis cycliquement. Ils sont caractérisés par les intervalles de temps Tl, T2 à T5 séparant chaque émission. Sur la figure 2, l'on reconnaît une source d'énergie (1), par exemple, une pile, un circuit d'horloge (2), qui pourrait être un quartz, une mémoire (3) dans laquelle sont stockés ou calculés les intervalles de temps, ti, séparant chaque émission et une logique servant au séquencement des dites émissions. Le circuit représente l'étage d'émission de puissance qui permet de générer une tension élevée pour attaquer le transducteur d'émission (5), en général une céramique piézo-électrique. Un capteur de pression (6) peut être intégré à l'ensemble. Il alors à télémesure d'immersion par entrelacement à la première séquence d'émissions d'une deuxième séquence exploitant un autre séquencement pseudo-aléatoire, décalé du premier d'un temps proportionnel à l'immersion mobile. circuit de synchronisation externe (7) permet accessoirement de synchroniser l'horloge (2) à une référence d'échelle de temps commune partagée par l'émetteur et les récepteurs. Une sortie optionnelle (8) de la référence de temps peut être utilisée à des fins de marquage de mesures exploitée un autre dispositif non représenté. La figure représente dans l'espace temps-fréquence la combinaison l'étalement temporel des codes Tl à T5 et de sauts pseudo-aléatoires dans l'espace des fréquences Fl à F3. Il s'en suit un étalement des codes émis tant spatial que temporel, d'où une très grande diversité sur le choix des codages. sont caractérisés par une clef multidimensionnelle (temps et fréquences). La figure 4 représente ce que serait l'occupation temporelle de signaux émis par un groupe de 4 plongeurs sous-marins s'ils évoluaient dans un carré de 500 m de coté, chacun étant doté d'un émetteur partageant une référence de temps commune et doté d'une télémesure d'immersion. La concentration des signaux dans l'intervalle 0,3 à 0,7 seconde est la cause des collisions entre les signaux et explique la faible probabilité de détection sans interférence sur au moins trois points de mesure. L'axe horizontal de la figure représente, sur un cycle d'une seconde, les instants d'arrivée des signaux émis par les plongeurs sur 4 bouées situées aux 4 coins d'un carré de 1000 m de côté. L'axe vertical représente succession 10 cycles d'émissions décalées d'une seconde. La figure représentative de l'invention, montre ce que serait l'occupation temporelle signaux émis par un groupe de 4 plongeurs sous-marins ils évoluaient dans un carré de 500 m de côté, chacun étant muni d'un émetteur doté du dispositif d'étalement temporel des codes émis. Il s'en suit une répartition codes émis sur la totalité de l'espace 0-1 sec. D'où une faible probabilité de collision des signaux au niveau des récepteurs. Les axes horizontal et vertical de cette figure ont la même signification que ceux de la figure 4. La figure 6 présente la clef de décodage correspondant à une séquence de codes émis par un émetteur utilisant une seule bande de fréquence. La largeur de chaque élément de la clef est déterminée pour prendre en compte les fluctuations des instants d'arrivée liées aux variations de vitesse de l'émetteur pendant la période de temps considérée. La détection s'effectue par corrélation entre la clef et les pics de détection de signaux dans la bande de fréquence considérée. La valeur de la fonction de corrélation prenant des valeurs discrètes variant de 0 à un maximum de "n"; "n" étant le nombre maximum de codes émis pouvant être détectés à l'intérieur de la fenêtre d'observation. Cette fonction de corrélation est dite de niveau 2 par opposition à la fonction de corrélation de niveau 1 qui aurait pu être utilisée pour détecter chaque signal individuel. Sur la figure 3 est présentée une clef multidimensionnelle Fl, F2, F3 correspondant à un codage aussi étalé en 3 bandes de fréquences distinctes. De l'utilisation des émetteurs acoustiques transmettant des signaux apériodiques selon une séquence pseudo-aléatoire prédéterminée objet de la présente invention il ressort les avantages suivants: La fabrication des émetteurs ayant la capacité de transmettre des signaux apériodiques est, compte tenu des technologies de composants électroniques, tels les PICS, une solution de faible coût. En figeant dans une mémoire non volatile de chaque émetteur, une séquence pseudo-aléatoire différente, il est alors très facile au niveau récepteur aussi bien d'identifier l'émetteur que de dater l'instant de réception d'une série de codes rapport à une référence temporelle ; ce, sans ambiguïté ni de numéro de cycle, ni d'origine de la source. Ce qui n'est absolument pas cas aujourd'hui avec les émetteurs de boites noires d'aéronefs qui transmettent sur la même fréquence et avec la même périodicité. De cette caractéristique unique, il ressort la possibilité intéressante de différentier les émetteurs et donc bien auquel il se trouve rattaché. Ceci peut s'avérer utile pour distinguer des biens qui seraient perdus au fond de la mer (Containers de produits chimiques dangereux, matière nucléaire, armes, ... ) et donc en permettre la récupération avec des priorités différentes. La probabilité pour qu'un pic de la fonction de corrélation niveau 2 ne corresponde pas au mobile sélectionné est extrêmement faible. Il s'ensuit une excellente probabilité de détection simultanée sur plusieurs points de réception des séquences pseudo-aléatoires correspondant à un grand nombre de mobiles présents dans une zone donnée, même si la dite zone est de faibles dimensions. Du fait du très grand nombre de séquences pseudo-aléatoires différentes qui peuvent être générées, il ressort que la détection d'un bruit en lieu et place d'un signal reel, aussi bien que la non-détection d'un signal réel, ont une influence faible le résultat du calcul de la fonction de corrélation de niveau 2. Il s'ensuit une grande insensibilité au bruit ambiant, au leurrage, tout comme au brouillage volontaire. De plus, en agissant sur le seul aspect apériodique des émetteurs, il devient possible de faire évoluer les matériels de recherche tout en gardant une compatibilité avec les équipements existant de relocalisation basés sur mesures purement directionnelles. 5. Mise #uvre du procédé de localisation et d'identification On rend les matériels à localiser et/ou à identifier solidaires d'émetteurs acoustiques, transmettant des signaux apériodiques selon une séquence pseudo-aleatoire prédéterminée. On déploie, sur la zone de travail où sont situés les matériels à localiser, un plusieurs points de mesure dotés d'un récepteur acoustique, d'une référence d'échelle temps et d'un moyen de localisation dudit point de mesure ; points mesure et/ou le ou les centres de traitements sont disposés en surface, en pleine eau, ou au fond de la mer, de manière fixe, ou dérivante, ou mobile. On transmet à un centre de traitement les informations issues des points de mesure où, à chaque instant de détection sur un canal (représenté par une bande fréquence donnée), on associe une datation précise dans un référentiel d'échelle de temps et une position du dit point de mesure dans un référentiel spatial. L'ensemble de ces informations provenant de différents points de mesure sont regroupees audit centre de traitement en vue de leur exploitation par corrélation de niveau 2 avec les séquences pseudo-aléatoire de référence correspondant chacun des émetteurs recherchés. La seule existence d'un maximal de la fonction de corrélation de niveau 2, telle que précédemment définie, supérieur à un seuil donné permet, à la fois s'assurer de la présence de l'émetteur sur la zone ; mais aussi de identification. Au pic de chaque fonction de corrélation de niveau 2, correspond un temps de propagation des signaux émis en direction du récepteur. En s'appuyant sur l'ensemble des temps de propagation des signaux corrélés sur différents récepteurs correspondant à un même cycle d'émissions, il est alors possible calculer la position du mobile en utilisant des algorithmes de localisation bien connus dits "circulaires" ou "hyperboliques", selon que la référence d'échelle de temps de l'émetteur est synchrone ou non de la référence d'échelle temps des récepteurs. Ainsi, la position des émetteurs peut être déterminée avec précision, sans ambiguïté. REVENDICATIONS 1. - Emetteurs; acoustiques de localisation caractérisés en ce ils possèdent des circuits électroniques de génération de signaux acoustiques apériodiques, selon une séquence pseudo-aléatoire prédéterminée et connue tant au niveau de l'équipement d'émission lui-même, qu'au niveau des equipements de réception ou du centre de traitement. 2. - Emetteurs acoustiques de localisation selon la revendication 1 caractérisés en ce qu'ils possèdent des circuits électroniques tels que la séquence pseudo- aléatoire apériodique de signaux qu'ils génèrent soit une suite signaux codés par des sauts dans des bandes de fréquences larges ou étroites, selon un ordonnancement prédéterminé et connu tant au niveau de l'équipement d'émission lui-même, qu'au niveau des équipements de réception ou du centre traitement. - Emetteurs acoustiques de localisation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisés en ce qu'ils disposent de circuits électroniques permettant de transmettre une ou plusieurs séquences entrelacées en vue de la telétransmission de l'immersion du mobile ou de toute autre grandeur. Installation de localisation sous-marine comprenant des émetteurs acoustiques de localisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, rendus solidaires des matériels ou mobiles à localiser et/ou à identifier, caractérisée en ce qu'elle comporte un ou des points de mesure dotés d'un récepteur acoustique, d'une référence d'échelle de temps et d'un moyen de localisation dudit point de mesure, et un ou des centres de traitement permettant l'identification des émetteurs par des calculs de corrélation de niveau 2 entre une série d'instants de réception des signaux et les séquences pseudo-aléatoires propres ' chaqueémetteur. 5. - Installation de localisation selon la revendication 4, caracterisée en ce que les points de mesure sont situés en surface, en pleine eau disposés sur le fond de mer, fixes, dérivants ou mobiles. 6. - Procédé de localisation sous-marine à étalement temporel et spectral, caractérisé en ce que l'on équipe les matériels ou mobiles a localiser et/ou à identifier d'émetteurs acoustiques transmettant des signaux apériodiques selon une séquence pseudo-aléatoire prédéterminée ; on déploie, sur la zone de travail où sont situés les matériels ou les mobiles à localiser, un ou plusieurs points de mesure dotés, chacun, d'un récepteur acoustique, d'une référence d'échelle de temps d'un moyen de localisation dudit point de mesure ; on transmet à un centre de traitement les informations issues des points de mesure où, à chaque instant de détection sur une bande de fréquence donnée, l'on associe une datation précise dans un référentiel d'échelle de temps et une position dudit point de mesure dans un référentiel spatial ; l'ensemble de ces informations provenant de différents points de mesure étant regroupé audit centre de traitement en vue de leur exploitation par corrélation de niveau 2 avec les séquences pseudo- aléatoires de référence correspondant à chacun des émetteurs recherchés. 7. - Procédé de localisation sous-marine selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on dispose les points de mesure et/ou le ou les centres de traitement en surface, en pleine eau, ou sur le fond de la mer, de façon fixe, dérivante ou mobile.