Brevet FR2851340A1 — publié le 20040820

La présente invention concerne un dispositif et un système de positionnement acoustique global d'appareils sous-marins. Plusieurs systèmes de navigation et de positionnement par satellite, généralement connus sous le terme générique de GPS pour "Système de 5 positionnement Global" sont opérationnels (le système américain "NAVSTAR" et son équivalent russe "GLONASS") ou sont en cours de développement (le projet Européen GALILEO). Le GPS comporte une partie spatiale comprenant une constellation de satellites placés en orbite autour de la Terre et émettant des signaux électromagnétiques, une partie de contrôle au sol, composée de 10 stations suivant et contrôlant ces satellites, et une partie utilisateur, militaire oucivil. A partir des signaux électromagnétiques émis, la position absolue de n'importe quel récepteur, placé à ou à proximité de la surface terrestre peut être déterminée avec une précision de l'ordre de 10 à 15 mètres pour l'usage civil. Le récepteur utilise pour cela les données émises par quatre satellites i5 placés sur des orbites différentes et donc à des distances différentes. Les trois premiers satellites permettent une détermination grossière de la position comprenant des erreurs dues au décalage entre l'horloge de chacun des satellites et celle de l'utilisateur, le quatrième donne l'instant réel d'émission des signaux. Le GPS s'est désormais imposé comme le système de 20 navigation en temps réel pour équiper les bateaux et les véhicules de part le faible cot de son récepteur et sa simplicité d'utilisation de jour comme de nuit. Cependant, les ondes radios émises par les satellites ne se propagent pas dans les milieux marins o elles sont très rapidement absorbées. Le 25 positionnement de récepteurs sous-marins par GPS n'étant pas possible, d'autres systèmes de navigation et de positionnement sous-marin ont vu le jour. Ces technologies ont principalement en commun la mise en oeuvre d'ondes acoustiques. On connaît par exemple un système à ligne de base longue (LBL) qui 30 utilise au moins trois balises acoustiques disposées au fond de la mer. Le récepteur sous-marin reçoit les signaux acoustiques provenant desdites balises et détermine sa position par le principe de triangulation. Connaissant la vitesse de propagation du son dans la mer, la mesure du temps de parcours du signal émis par chacune des bouées donne la distance relative dudit 35 dispositif par rapport à chacune des bouées. Cependant ce système reste complexe du fait de la difficulté et du cot de l'installation des balises sur les fonds marins. YOUNGBERG J. W. décrit dans le brevet US Patent 5,119,341 une méthode pour étendre le GPS à des applications sous-marines et en 5 particulier, pour fournir un système de navigation à des sous-marins autonomes. Ce système met en oeuvre des bouées errantes qui déterminant leur position comme n'importe quel autre utilisateur GPS, la transmettent grâce à des transducteurs vers des véhicules sous-marins cherchant à déterminer leur position. Cependant, ce système nécessite la mise en oeuvre 10 d'au moins trois bouées errantes pour que le véhicule sous-marin puisse déterminer sa position par triangulation tout en tenant compte de la possibilité que des signaux provenant d'une bouée ne soit pas détectés. De plus, ces bouées ne permettent pas un positionnement précis car la détermination de la position dynamique du véhicule sous-marin n'intègre pas les facteurs externes 15 (état de la mer, vent, ..) pouvant influer sur la position de chacune des bouées et que pourraient traduire des capteurs de roulis, de tangage, de cap et de pilonnement. On connaît par ailleurs des systèmes de positionnement acoustique sousmarin utilisant un système à ligne de base ultracourte (USBL) pour 20 positionner des véhicules sous-marins ou des cibles, fixes ou mobiles disposant d'un transpondeur. Ce système ne fait intervenir qu'un seul transpondeur et une seule antenne acoustique, de surface réduite et comportant des éléments récepteurs. Une interrogation acoustique ou électrique est envoyée au transpondeur qui émet en retour une réponse 25 acoustique. Cette réponse acoustique est reçue par les éléments récepteurs de l'antenne permettant ainsi la détermination de la position du transpondeur. La distance est calculée sur la base du temps écoulé entre l'émission du signal d'interrogation et la réception du signal de réponse acoustique et les directions sont déduites de la mesure des différences de phase dans la 30 réception du signal de réponse par les différents éléments récepteurs. Cependant, l'antenne acoustique, fixe ou à déploiement, requière l'utilisation en parallèle d'un capteur d'attitude et d'un GPS pour corriger les mouvements de l'antenne en surface. L'antenne acoustique est donc difficilement transportable et nécessite la mobilisation d'un navire. De plus, les positions 35 respectives, à bord du navire, de l'antenne GPS, de la centrale d'attitude et de l'antenne acoustique du système USBL par rapport au centre de masse du navire sont telles que des corrections sur la position dynamique de l'antenne acoustique sont nécessaires en considérant les effets de bras de levier entre l'antenne acoustique et l'antenne GPS d'une part, et l'antenne acoustique et la 5 centrale d'attitude, d'autre part. En particulier, ces derniers peuvent s'avérer très importants. Un premier objet de la présente invention est de proposer un dispositif et une méthode de positionnement acoustique global, simple dans leur conception et dans leur mise en oeuvre, économique, sans calibrage 10 nécessaire dudit dispositif, à très grande portée sous-marine, autonome, hautement intégré et facilement transportable au gré de l'utilisateur et pouvant prendre en charge seul plusieurs cibles simultanément, pour la détermination de la position de dispositifs sous-marins équipés d'un transpondeur. Un autre objet de la présente invention est la réalisation d'un système 15 de positionnement acoustique global (Global acoustic positioning system "GAPS") permettant dans une zone maritime donnée à des dispositifs sousmarins de connaître leur exacte position. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de positionnement acoustique global d'appareils sous-marins comprenant des moyens de 20 positionnement pour référencer géographiquement ledit dispositif et un émetteur-récepteur de signaux acoustiques de positionnement. Selon l'invention, - ledit émetteur-récepteur de signaux acoustiques est un système à ligne de base ultracourte (USBL) qui génère n premières mesures de position, 25 o n est le nombre d'appareils sous-marins mesurés simultanément, n étant supérieur ou égal à 1, - ledit dispositif comporte: - des moyens de restitution des mouvements du dispositif délivrant des signaux comportant au moins une mesure de l'attitude dudit dispositif 30 dans un système de référence inertiel, - des moyens de traitement en temps réel recevant l'ensemble des mesures pour déterminer la position réelle du ou des appareils sous-marins, - des moyens pour émettre la position réelle du ou des appareils sous- marins dans et/ou hors de l'eau, et en ce que les positions respectives des moyens de restitution des mouvements du dispositif et de l'émetteur- récepteur de signaux acoustiques par rapport au centre de masse dudit dispositif sont telles que l'effet de bras de levier entre lesdits moyens de restitution et ledit émetteur-récepteur est nul. 5 On entend par "mesure de l'attitude", une mesure de l'orientation dudit dispositif dans un système de référence inertiel, mathématiquement décrite par des variables qui sont le cap, le roulis et le tangage. Dans différents modes de réalisation, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées 10 isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles - n est supérieur ou égal à 2, - n est égal à 6, - les moyens de restitution des mouvements du dispositif comportent une centrale d'attitude, - les moyens de restitution des mouvements du dispositif comportent une centrale de navigation inertielle, - la fréquence de rafraîchissement des signaux délivrés par lesdits moyens de restitution des mouvements du dispositif est supérieure ou égale à Hz, - le dispositif comprend une bouée, - la bouée est dérivante, - la bouée comprend des moyens d'autopropulsion, - le dispositif comprend des moyens d'amarrage, - le dispositif comprend un émetteur/récepteur de signaux 25 radioélectriques, - le dispositif comprend un émetteur/récepteur de signaux filaires, - le dispositif comprend des moyens d'alimentation en énergie autonome, - les moyens de positionnement pour référencer géographiquement ledit 30 dispositif comprennent un GPS. L'invention concerne également un système de positionnement acoustique global pour des dispositifs sous-marins. Selon l'invention, ledit système comprend un ensemble de dispositifs de positionnement acoustique tels que décrits précédemment. Chacun de ces dispositifs de positionnement est placé en un point d'un réseau de points défini par la répétition d'une même maille élémentaire découpant une zone de mer à couvrir. Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de positionnement acoustique global, selon un mode de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique d'un système de positionnement acoustique global, selon un mode de réalisation de l'invention. 10 La fig. 2a) montre ledit système avec son enveloppe protectrice et la fig. 2b) représente schématiquement une coupe suivant l'axe A - A dudit système; L'objet de l'invention est de déterminer avec une très haute précision la position dynamique et le cap d'appareils sous- marins 1. On entend par "appareil sous-marin" 1, tout appareil 1 équipé d'au moins un transpondeur 2 15 capable de communiquer avec le dispositif de positionnement acoustique global (GAPS) de l'invention et avantageusement d'un récepteur pour recevoir sa position réelle telle que déterminée par le dispositif de positionnement, ledit appareil pouvant naviguer sous l'eau jusqu'à des profondeurs abyssales de 6000 m par exemple. Des exemples de tels appareils sont des véhicules sous20 marins habités, télécommandés ou autonomes, des balises portables et individuelles, ... Le dispositif de positionnement acoustique global d'appareils sousmarins comprend des moyens de positionnement pour référencer géographiquement sa position (Figure 1). Ces moyens peuvent comprendre 25 par exemple un récepteur GPS recevant des signaux radioélectriques émis par plusieurs satellites 3 d'un système GPS, ledit récepteur comprenant une antenne de réception 4 et un calculateur intégré 5 déterminant de façon précise la position absolue dudit dispositif ou un émetteur-récepteur recevant des signaux émis depuis un site terrestre ou un navire équipé d'un GPS, 30 lesdits signaux donnant une position relative du dispositif. Le dispositif comprend un système à ligne de base ultracourte (USBL) 6. Cet émetteur-récepteur de signaux acoustiques 6 de positionnement génère n premières mesures de position, o n est le nombre d'appareils sousmarins 1 mesurés simultanément par ledit dispositif de positionnement avec n 35 supérieur ou égal à 1. De manière préférentielle, le dispositif est capable de déterminer simultanément la position d'au moins deux appareils sous-marins 1. Avantageusement, six appareils sous-marins 1 peuvent être conjointement traités en temps réel par le dispositif de positionnement acoustique. Comme décrit plus haut, l'émetteur-récepteur de signaux acoustiques de type USBL 6 5 comprend une antenne de diamètre réduit, typiquement 300 mm comportant quatre hydrophones de réception 7 disposés, par exemple orthogonalement l'un par rapport à l'autre, sur la périphérie de l'antenne et un transducteur d'émission 8 placée au centre de l'antenne. Le transducteur d'émission émet des interrogations acoustiques à intervalles de temps réguliers, typiquement à 10 une fréquence de l'ordre de 16 kHz pour une portée de 6000 m et jusqu'à 40 kHz pour une portée, inférieure, de 1000m. Lorsqu'un appareil sous-marin 1 pénètre dans la zone de couverture du transducteur, le transpondeur 2 dont il est équipé émet en retour une réponse acoustique si ce dernier 2 est placé en mode actif de localisation. Cette réponse acoustique est reçue par les 15 hydrophones de réception 7 de l'antenne permettant ainsi la détermination de la position du transpondeur 2. Des moyens électroniques comprenant une carte support émission 9 assurent le contrôle du système USBL 6. Le dispositif de positionnement acoustique global (GAPS) comprend aussi des moyens de restitution des mouvements du dispositif 10 délivrant des 20 signaux comportant au moins une mesure d'attitude dudit dispositif dans un système de référence inertiel (Figures 1 et 2 b). Ces moyens de restitution 10 comprennent soit une centrale d'attitude, soit une centrale de navigation inertielle. Dans ce dernier cas, ladite centrale comporte par exemple 3 gyroscopes à fibre optique, 3 accéléromètres et des cartes de calculs qui 25 avantageusement permettent le calcul de la position et de l'entretien de cette position du dispositif lors d'un masquage de la constellation de satellites GPS. De manière avantageuse, la fréquence de rafraîchissement des signaux délivrés par lesdits moyens de restitution des mouvements du dispositif 10 est supérieure ou égale à 10 Hz. Ces signaux sont envoyés vers des moyens de 30 traitement 11. A la réception desdits signaux, les moyens de traitement 11 synchronisent les acquisitions de l'ensemble de mesures. Les trois entrées de base du dispositif, obtenues de manière synchrone, correspondent donc à l'acquisition d'une mesure de localisation géographique dudit dispositif de positionnement, les signaux générés par les moyens de restitution des 35 mouvements du dispositif 10 et enfin, les acquisitions de signaux acoustiques par le système USBL. Les signaux acoustiques sont par exemple délivrés par une carte Tx Rx. Les moyens de traitement 11 en temps réel déterminent à la réception de l'ensemble de ces mesures la position réelle du ou des appareils sous-marins 1 présents dans la zone de couverture ou leur position relative en s cas d'absence de moyens de positionnement absolue. Ces moyens de traitement 11 prennent en compte les variations dans la vitesse de propagation du son entre la position du dispositif et celle du transpondeur 2 de l'appareil sousmarin 1, lesdites variations étant dues à des variations dans la salinité, la température de l'eau et la pression. Le dispositif comprend des moyens pour émettre la position réelle du ou des appareils sous-marins 1 dans et/ou hors de l'eau. Dans un mode de réalisation, ces moyens comprennent un émetteur/récepteur de signaux radioélectriques. Dans un autre mode de réalisation, ils comprennent un émetteur/récepteur de signaux filaires 12. Le dispositif de positionnement acoustique peut être mise en oeuvre de différentes façons. Il peut s'agir d'une boite fixée sur une plateforme ou d'une bouée par exemple. Cette bouée peut être dérivante ou disposer de moyens d'autopropuision. Dans ce dernier cas, la bouée peut être guidée ou programmée pour venir se positionner en un point géographique précis par 20 exemple. Cette bouée peut aussi avoir des moyens d'amarrage et des moyens d'alimentation en énergie 13 pour rendre ladite bouée autonome. Les positions respectives des moyens de restitution des mouvements du dispositif 10 et de l'émetteur-récepteur 6 de signaux acoustiques par rapport au centre de masse dudit dispositif sont telles que l'effet de bras de 25 levier entre lesdits moyens de restitution 10 et ledit émetteur-récepteur 6 est nul pour la détermination de la position réelle de l'appareil sous-marin 1. Dans le cas o le bras de levier n'est pas négligeable, il est calibré lors de la fabrication du dispositif de positionnement et il n'est pas nécessaire d'en tenir compte ultérieurement. L'invention concerne également un système de positionnement acoustique global pour d'appareils sous-marins 1. Ce système comprend un ensemble de dispositifs de positionnement acoustique tel que décrit précédemment. Chacun de ces dispositifs de positionnement est placé en un point donné d'une zone de mer à couvrir. Ces points sont définis par la 35 répétition d'une même maille élémentaire découpant ainsi la zone de mer en un réseau de points. Ledit réseau de points est donc défini comme une disposition régulière de points dans le plan de la surface de la zone de mer. Chaque point étant relié à un autre dans une direction donnée par la longueur de la maille élémentaire et dans une direction perpendiculaire à celle-ci, par la s largeur de ladite maille élémentaire. On décrira maintenant un mode de réalisation de dispositifs de positionnement acoustique nouveaux et utiles conformes à l'invention. La Figure 2 montre un exemple de mode de réalisation de l'invention avec une bouée dérivante de positionnement acoustique global. La Figure 2 a) montre 10 ladite bouée sans ses flotteurs avec son enveloppe protectrice 14, en acier inoxydable par exemple. La Figure 2 b) représente schématiquement une coupe suivant l'axe A - A de ladite bouée. Cette bouée comprend une antenne 4 et un récepteur GPS 5, des moyens de restitution des mouvements du dispositif 10, un émetteur-récepteur de signaux acoustiques 6 qui est un i5 système USBL. Ce système comprend quatre hydrophones de réception 7 et un transducteur d'émission 8 placée au centre du système USBL 6. Des moyens électroniques comprenant une carte support émission 9 assurant le contrôle du système USBL 6. Les dimensions typiques de cette bouée sont une hauteur totale H de 400 mm, un diamètre d'antenne USBL de 300mm, un 20 diamètre de couvercle de 240 mm et une hauteur h de l'enveloppe protectrice de 280 mm. REVENDICATIONS 1. Dispositif de positionnement acoustique global d'appareils sousmarins (1) comprenant des moyens de positionnement pour référencer géographiquement ledit dispositif et un émetteur-récepteur de signaux acoustiques de positionnement (6), caractérisé en ce que - ledit émetteur-récepteur de signaux acoustiques (6) est un système à ligne de base ultracourte (USBL) qui génère n premières mesures de position, o n est le nombre d'appareils sous-marins (1) mesurés simultanément, n étant supérieur ou égal à 1, o - ledit dispositif comporte: - des moyens de restitution des mouvements du dispositif (10) délivrant des signaux comportant au moins une mesure de l'attitude dudit dispositif dans un système de référence inertiel, - des moyens de traitement (11) en temps réel recevant l'ensemble 15 des mesures pour déterminer la position réelle du ou des appareils sousmarins (1), - des moyens (12) pour émettre la position réelle du ou des appareils sous-marins (1) dans et/ou hors de l'eau, et en ce que les positions respectives des moyens de restitution des 20 mouvements du dispositif (10) et de l'émetteur-récepteur (6) de signaux acoustiques par rapport au centre de masse dudit dispositif sont telles que l'effet de bras de levier entre lesdits moyens de restitution (10) et ledit émetteur-récepteur (6) est nul. 2. Dispositif de positionnement selon la revendication 1, caractérisé en 25 ce que n est supérieur ou égal à 2. 3. Dispositif de positionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que n est égalà 6. 4. Dispositif de positionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de restitution des 30 mouvements du dispositif (10) comportent une centrale d'attitude. 5. Dispositif de positionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de restitution des mouvements du dispositif (10) comportent une centrale de navigation inertie lle. 6. Dispositif de positionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fréquence de rafraîchissement des signaux délivrés par lesdits moyens de restitution des mouvements du dispositif (10) est supérieure ou égale à 10 Hz. 7. Dispositif de positionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une bouée. 8. Dispositif de positionnement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la bouée est dérivante. 9. Dispositif de positionnement selon la revendication 7, caractérisé en 10 ce que la bouée comprend des moyens d'autopropulsion. 10. Dispositif de positionnement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'amarrage. 11. Dispositif de positionnement selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur/récepteur de signaux 15 radioélectriques. 12. Dispositif de positionnement selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur/récepteur de signaux filaires. 13. Dispositif de positionnement selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'alimentation en énergie 20 autonome (13). 14. Dispositif de positionnement selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les moyens de positionnement pour référencer géographiquement ledit dispositif comprennent un GPS (4, 5). 15. Système de positionnement acoustique global pour d'appareils 25 sousmarins (1) caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de dispositifs de positionnement acoustique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, chacun desdits dispositifs étant placé en un point d'un réseau de points défini par la répétition d'une même maille élémentaire découpant une zone de mer à couvrir.