Brevet FR3026500A1 — publié le 20160401

Système intégré d'aide à la conduite et à la navigation d'un navire de combat L'invention a pour domaine celui des systèmes d'aide qui, à bord d'un navire de combat, bâtiment de surface ou sous-marin, permettent à un opérateur, tel qu'un officier de pont, d'effectuer, depuis la passerelle de navigation, les opérations qu'il a à exécuter, telles que les opérations de navigation, les opérations de manoeuvre, ou les opérations de défense à vue. Parmi les opérations de manoeuvre, on peut par exemple citer les opérations de ravitaillement, d'accostage, de navigation en eau resserrée, de remorquage, ou les opérations impliquant des navires annexes. De telles opérations sont réalisées depuis la passerelle de navigation, à vue, et portent sur des objets se situant à l'intérieur d'une sphère visuelle proche ou très proche du navire. Cette sphère visuelle n'est pas couverte par les moyens de surveillance actuels mis à la disposition des opérateurs de la passerelle de navigation. Par exemple, les moyens de surveillance actuels pour les opérations de défense à vue, tels que radar, sonar, etc., ne couvrent pas cette sphère visuelle de l'horizon, jusqu'à la coque du navire. Ainsi, pour observer directement une zone de la sphère visuelle située à proximité immédiate du navire de combat, l'opérateur en charge de la défense à vue du navire a besoin de se déplacer à l'intérieur de la passerelle de navigation, afin de pouvoir voir directement, à travers les baies dont est équipée la passerelle de navigation, la zone proche d'intérêt. Cependant, en fonction de la configuration du navire, l'opérateur ne peut pas toujours observer depuis la passerelle de navigation la zone proche d'intérêt. En effet, il existe de nombreux angles morts, lui interdisant d'avoir une vision directe sur toutes les zones proches du navire. Par exemple, si la partie avant de la passerelle de navigation comporte de larges baies vitrées, la partie arrière de la passerelle de navigation est souvent fermée, de sorte qu'il n'est pas possible d'observer directement une zone proche située du côté de la poupe du navire. Par exemple encore, le bord du navire étant en saillie vers l'extérieur par rapport à la ligne de flottaison du navire, il n'est pas possible d'observer une zone proche du navire située au voisinage de la ligne de flottaison, à l'aplomb du bord. En conséquence, une embarcation ennemie peut approcher le navire de combat par l'arrière, puis longer le bordé le long de la ligne de flottaison sans être détectée. Des problèmes similaires surgissent pour les autres opérations, telles que la navigation en eau resserrée. Ces opérations, qui s'effectuent à vue, sont d'autant plus difficiles à réaliser que les conditions météorologiques et l'état de mer sont difficiles. De plus, par observation directe, l'opérateur n'a aucune information sur ce qui se passe sous l'eau. Pour le cas de la défense du navire, l'opérateur n'a aucun moyen de repérer un plongeur ennemi s'approchant du navire de combat. Enfin, l'opérateur en charge de la défense du navire de combat, ou plus généralement en charge d'une opération à vue, a besoin de prendre connaissance d'informations de nature différentes, afin de décider de l'action adaptée à entreprendre, par exemple la mise en oeuvre de la sécurisation de la plateforme. Il doit donc interroger les opérateurs des différents postes opérationnels équipant la passerelle de navigation, pour collecter les informations dont il a besoin aussi bien en phase de paix, qu'en phase de combat (et ceci quel que soit le niveau d'alerte du navire). Il y a donc un besoin pour un système qui permette de compléter et d'améliorer la vision de l'opérateur en passerelle pour la réalisation des opérations précitées. L'invention a donc pour but de répondre aux problèmes précités. L'invention a pour objet un système intégré d'aide à la conduite et à la navigation d'un navire de combat, caractérisé en ce qu'il comporte : - une pluralité de moyens d'acquisition de données, comportant une pluralité de capteurs embarqués, de nature différente, disposés sur le navire de manière à délivrer des données brutes relatives à l'environnement proche, sur l'eau et sous l'eau, du navire de combat ; - une pluralité de moyens de traitement des données brutes, permettant de générer des données traitées, chaque donnée traitée résultant du filtrage, et/ou de la synchronisation et/ou de la fusion d'une ou plusieurs données brutes ; - une pluralité de moyens de reconstruction, permettant de générer des données reconstruites par agrégation des données traitées, les données reconstruites permettant d'enrichir une modélisation informatique (de l'environnement proche, sur l'eau et sous l'eau, du navire de combat ; et, - un moyen d'affichage, comportant un poste équipé d'au moins un écran offrant à un opérateur une représentation de l'environnement proche sur l'eau et sous l'eau du navire de combat modélisé. Ainsi, le système intégré d'aide à la conduite et à la navigation selon l'invention permet une bonne visualisation de ce qui se passe sur l'eau et sous l'eau, de jour comme de nuit, et par tout les temps. Suivant des modes particuliers de réalisation, le système comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - le poste comporte une pluralité d'écrans, formant ensemble une surface d'affichage proche de 360° autour de l'opérateur, et ayant de préférence une ouverture supérieure à 45°, de préférence encore supérieure à 90°, notamment 1800; - les moyens d'acquisition comportent une pluralité de caméras disposées sur le navire de combat de manière à obtenir, en tant que données brutes, une pluralité d'images de l'environnement réel du navire, ces images, après synchronisation par des moyens de traitement adaptés et superposition par des moyens de reconstruction adaptés, permettant de recréer une image de l'environnement proche du navire de combat, propre à être intégrée à la modélisation informatique de l'environnement proche du navire ; - la pluralité de caméras comporte au moins une caméra choisie parmi une caméra optique et une caméra infra-rouge ; - un capteur propre à acquérir des données brutes sous l'eau est un sonar à balayage ; - un capteur propre à acquérir des données brutes sur l'eau est un lidar ; - des capteurs de même nature sont disposés sur le navire de combat de manière à acquérir des données brutes sur l'intégralité de l'environnement proche du navire de combat, compte tenu de la zone angulaire de sensibilité de chaque capteur ; - le système est réalisé à partir de composants du commerce du type COTS pour « Commercial Off The Shelf ». L'invention concerne également un navire de combat comportant un système intégré d'aide à la conduite et à la navigation d'un navire de combat tel que défini ci- dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre illustratif et non limitatif, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique sous forme de blocs fonctionnels d'un système intégré d'aide à la conduite et à la navigation d'un navire de combat ; - la figure 2 est une représentation schématique de l'implantation de différents capteurs constitutifs de la couche d'acquisition du système de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue d'artiste, en perspective, d'une passerelle de navigation ; - la figure 4 est une interface graphique de représentation de l'environnement proche du navire modélisé par le système de la figure 1, affichée sur un écran d'un poste opérateur du système de la figure 1 selon un premier mode de réalisation ; - les figures 5 est un autre mode de réalisation d'un poste opérateur du système de la figure 1. Comme représenté sur la figure 1, un système 100 intégré d'aide à la conduite et à la navigation d'un navire de combat 1 comporte une couche d'acquisition 110 de données brutes, une couche de traitement 120 pour le traitement des données brutes pour générer données traitées, une couche de reconstruction 130 pour générer des données reconstruites à partir des données traitées, et une couche d'affichage 140 comportant un poste opérationnel en passerelle de navigation. La couche d'acquisition 110 comporte une pluralité de capteurs embarqués à bord du navire. La pluralité de capteurs est composée de plusieurs groupes de capteurs, chaque groupe de capteurs permettant l'acquisition de données brutes de même nature. Ainsi, un premier groupe de capteurs 112 est constitué par un ensemble de caméras optiques. Les différentes caméras 113 sont placées sur la superstructure du navire 1 (cf. Figure 2) de manière à couvrir l'ensemble de l'environnement proche du navire. Pour ce faire, l'angle d'ouverture de chaque caméra est pris en compte. Par exemple quatre caméras sont placées sur le mat du navire, à 900 les unes des autres dans un plan horizontal de manière à pouvoir observer l'environnement plus lointain, hors de l'eau, du navire, sur 360°. Quatre autres caméras sont placées sur la coque du navire de manière à pouvoir observer l'environnement plus rapproché, hors de l'eau, du navire, sur 360°. La combinaison des images acquises par ce premier groupe de caméras doit permettre de surveiller, dans le domaine optique, l'intégralité de l'environnement proche hors de l'eau du navire, de la ligne de flottaison du navire jusqu'à l'horizon. Un second groupe de capteurs 114 est constitué par un ensemble de caméras infra-rouge 115. Ces caméras 115 sont avantageusement associées aux caméras optiques 113. La combinaison des images acquises par ce second groupe de caméras doit permettre de surveiller, dans le domaine infra-rouge, l'intégralité de l'environnement hors de l'eau du navire. Un troisième groupe de capteurs 116 est constitué par un ensemble de lidars 117. Un lidar (selon l'acronyme anglais « light detection and ranging ») est un capteur de télédétection utilisant les réflexions d'un faisceau laser. Par exemple, la durée entre l'émission d'une impulsion laser et la détection de sa réflexion par un objet permet d'obtenir une donnée brute relative à la distance séparant le lidar, de l'objet réflecteur. L'émission d'impulsions à haute fréquence, couplée à un déplacement de l'émetteur laser du lidar pour balayer un angle d'ouverture du lidar, permet de reconstruire la surface de l'objet réflecteur. Ainsi, en disposant les Lidars 117 de manière adaptée sur la superstructure du navire 1, il est possible d'obtenir des données de distance et de forme pour tout objet de l'environnement proche, hors de l'eau, du navire. Un quatrième groupe de capteurs 118 est constitué par un ensemble de sonars 119 à balayage. Un sonar à balayage est un capteur de télédétection utilisant les réflexions d'ondes sonores dans l'eau. Par exemple, la durée entre l'émission d'une impulsion sonore et la détection de sa réflexion par un objet sous-marin permet d'obtenir une donnée brute relative à la distance séparant le sonar de l'objet réflecteur. L'émission d'impulsions à fréquence élevée, couplée à un déplacement de l'émetteur du sonar pour balayer un angle d'ouverture du sonar, permet de reconstruire la surface du fond marin et celle des objets réflecteurs immergés. Ainsi, en disposant les sonars à balayage 119 de manière adaptée sur la coque du navire 1, sous la ligne de flottaison, il est possible d'obtenir des données de distance et de forme de tout objet situé dans l'environnement proche, sous l'eau, du navire 1. Les différents capteurs sont connectés en entrée d'une plateforme informatique embarquée, comportant un serveur de traitement, un serveur de reconstruction et un serveur d'affichage. Le serveur de traitement, qui correspond à la couche de traitement 120 du système, exécute différentes applications de traitement. Ces applications de traitement traitent les données brutes acquises par les capteurs de manière à générer des données traitées. Par exemple, une première application de recalage temporel 122 des images du groupe de caméras 112 synchronise sur un signal d'horloge commun, les images provenant des différentes caméras 113 de ce groupe. Une seconde application de recalage spatial 124 des images du groupe de caméras 112 corrige les images provenant des différentes caméras 113 de ce groupe en fonction des distorsions géométriques de chaque caméra, des échelles des images acquises par chaque caméra, etc. De cette manière, on obtient des images synchronisées et corrigées géométriquement qui peuvent ensuite être superposées entre elles par une application adaptée de la couche de reconstruction 130. Par exemple encore, une application de fusion 126 permet d'associer des données brutes d'un lidar 117, afin de déterminer la forme de la surface d'un objet détecté. Par exemple encore, une application de filtrage spatial 128 filtre les données brutes d'un sonar 119 pour ne conserver que les échos sonores formant des amas supérieurs à une dimension prédéterminée. Le serveur de reconstruction, qui correspond à la couche de reconstruction 130 du système, exécute différentes applications de reconstruction. Ces applications de reconstruction permettent de générer des données reconstruites ou métadonnées par agrégation des données traitées. Ces données reconstruites permettent de mettre à jour une modélisation informatique 142 de l'environnement proche du navire de combat, sur et sous l'eau, qui est instanciée dans le serveur d'affichage. De préférence cette modélisation est une modélisation 3D. Par exemple, une application d'identification de cibles sous l'eau 132, à partir d'amas d'échos sonores, initialise un objet sous-marin dans la modélisation informatique 142. Par exemple, une application d'identification de cibles sur l'eau 134, à partir de la distance moyenne d'un objet et de la forme de sa surface, obtenues par le lidar, initialise un objet sur l'eau dans la modélisation informatique 142. Une application de corrélation 135 peut également chercher des corrélations entre des objets initialisés, notamment entre un objet sous l'eau et un objet sur l'eau, afin de rassembler dans un même objet de la modélisation informatique 142 ces deux objets qui correspondent par exemple à la partie immergée et à la partie émergée de la coque d'un même navire. Une application de supervision 136 permet de suivre en temps réel un objet identifié en en calculant la position instantanée, la vitesse vectorielle, etc. Par exemple encore, une application de reconstruction de l'arrière-plan sous l'eau 138 est propre, à partir des échos collectés par les sonars et qui ne correspondent pas à des objets sous-marins, à recréer une image du fond marin. Cette image est utilisée en tant qu'arrière-plan sous-marin de la scène de la modélisation informatique 142, à l'intérieur de laquelle se déplacent les objets sous-marins identifiés. De même, une application de reconstruction de l'arrière-plan sur l'eau 139 recrée, à partir des images collectée par les caméras et en soustrayant les zones de ces images qui correspondent à des objets sur l'eau identifiés, une image optique de l'environnement. Cette image est utilisée en tant qu'arrière-plan sur l'eau de la scène de la modélisation informatique 142, à l'intérieur de laquelle se déplacent les objets de surface identifiés. En variante, ces applications de reconstructions peuvent utiliser des cartographies pour recréer ou enrichir la scène de la modélisation. La couche d'affichage 140 du système comporte un serveur d'affichage 141 et au moins un poste d'affichage 143 dans la passerelle de navigation. Le serveur d'affichage 141 tient à jour la modélisation informatique 142 de l'environnement du navire 1. La figure 3 représente schématiquement une passerelle de navigation 10 du navire de combat 1. En particulier, sur l'avant et sur les côtés de la passerelle, les murs de celle-ci sont pourvus de larges baies vitrées 12, permettant l'observation depuis la passerelle de l'environnement extérieur du navire 1. Dans un premier mode de réalisation, le poste d'affichage 143 du système est intégré dans une console 16, située sur l'avant de la passerelle de navigation 10. Le poste d'affichage est un ordinateur du type client léger comportant un écran. Une application d'affichage 144 est exécutée sur le poste d'affichage 143. Elle présente une interface graphique permettant d'afficher, sous une forme ergonomique et synthétique, des informations relatives à l'environnement du navire. Une telle interface graphique est représentée sur la figure 4. Sur cette figure 4, l'interface graphique de l'application d'affichage 144 comporte un premier cadran 146, représentant les différents objets sous l'eau présents dans la modélisation informatique 142 de l'environnement tenu à jour par le serveur d'affichage. L'interface comporte un second cadran 148 représentant les différents objets sur l'eau présents dans la modélisation informatique 142 de l'environnement. L'application d'affichage 144 est propre à interroger périodiquement le serveur d'affichage 141 pour qu'il génère les vues requises à partir de la modélisation informatique 142. L'application d'affichage 144 est configurable par l'opérateur, afin d'adapter l'interface graphique aux besoins opérationnels de l'opérateur et à sa manière de travailler, c'est-à-dire sélection et affichage des informations dont il souhaite disposer. Dans un second mode de réalisation, le poste d'affichage 143 est un espace de visualisation 14 dédié, situé à l'intérieur de la passerelle de navigation du navire de combat. Par exemple, comme représenté sur la figure 5, cet espace correspond à une plateforme de commandement 20, qui occupe une partie centrale de la passerelle de navigation 10. Les parois murales de cet espace de visualisation sont recouvertes d'une pluralité d'écrans. Comme cela est représenté sur la figure 5, l'espace comporte un bandeau avant d'écrans 42, disposés sur les parois de l'espace de visualisation 14 situées vers l'avant de la passerelle 10, et un bandeau arrière d'écrans 44, disposés sur les parois de l'espace de visualisation 14 situées vers l'arrière de la passerelle 10. Ces écrans forment ensemble une surface d'affichage proche de 360° autour de l'opérateur, et ayant de préférence une ouverture supérieure à 45°, de préférence encore supérieure à 90°, notamment 1800. Une telle surface d'affichage offre à un opérateur situé sensiblement au centre de l'espace de visualisation 14 une vision englobante de l'environnement proche du navire, tel que décrit par la modélisation informatique 142 et affiché sur les écrans 42, 44. Dans cette variante de réalisation, le poste d'affichage 143 comporte un ordinateur du type client léger, dont les bandeaux d'écrans constituent le dispositif d'affichage. Une application d'affichage 144 est exécutée sur le poste 143. Elle présente une interface graphique permettant d'afficher, sous forme d'images 3D, l'environnement proche du navire tel que reconstruit par la modélisation informatique 142. Des informations supplémentaires, du type réalité augmentée, sont affichées sur ces images 3D pour permettre à l'opérateur d'avoir l'ensemble des informations relatives aux objets présents dans la scène et lui permettant d'anticiper l'action. L'application d'affichage 144 est propre à interroger périodiquement le serveur 141 pour qu'il génère des images propres à être affichées sur les écrans. L'application d'affichage 144 est configurable par l'opérateur afin d'adapter les informations affichées à ses besoins. Avantageusement, le système 100 venant d'être décrit est réalisé à partir de composants du commerce COTS (selon l'acronyme anglais de « Commercial Off The Shelf ») et en utilisant des protocoles de communication et/ou des normes standards. Un tel système d'aide constitue une rupture par rapport à l'état de la technique en tant que moyen d'aide aux opérateurs dans l'exécution de leurs missions depuis la passerelle de commandement. En particulier, ce système constitue une interface homme / machine permettant de présenter en temps réel les métadonnées résultant de l'agrégation de données provenant de divers capteurs et dispositifs de détection embarqués pour observer l'environnement sous l'eau et sur l'eau du navire. Ceci est particulièrement intéressant pour défendre le navire de combat, notamment contre les menaces asymétriques. De manière plus générale, le système 100 venant d'être décrit permet d'offrir, au sein de la passerelle de navigation et sous forme graphique et ergonomique, des informations avancées, notamment pour le combat : navigation et manoeuvres tactiques, synthèse tactique, lutte conte les menaces asymétriques, etc. Le système 100 venant d'être décrit peut être implanté dans des passerelles de navigation de nouveaux navires de combat, mais peut également être implanté dans des passerelles existantes, lors de leurs rénovations. REVENDICATIONS1.- Système (100) intégré d'aide à la conduite et à la navigation d'un navire de combat (1) caractérisé en ce qu'il comporte : - une pluralité de moyens d'acquisition (110) de données, comportant une pluralité de capteurs embarqués, de nature différente, disposés sur le navire de manière à délivrer des données brutes relatives à l'environnement proche, sur l'eau et sous l'eau, du navire de combat ; - une pluralité de moyens de traitement (120) des données brutes, permettant de générer des données traitées, chaque donnée traitée résultant du filtrage, et/ou de la synchronisation et/ou de la fusion d'une ou plusieurs données brutes ; - une pluralité de moyens de reconstruction (130), permettant de générer des données reconstruites par agrégation des données traitées, les données reconstruites permettant d'enrichir une modélisation informatique (142) de l'environnement proche, sur l'eau et sous l'eau, du navire de combat ; et, - un moyen d'affichage (140), comportant un poste (143) équipé d'au moins un écran offrant à un opérateur une représentation de l'environnement proche sur l'eau et sous l'eau du navire de combat modélisé. 2.- Système selon la revendication 1, dans lequel le poste (143) comporte une pluralité d'écrans (42, 44), formant ensemble une surface d'affichage proche de 360° autour de l'opérateur, et ayant de préférence une ouverture supérieure à 45°, de préférence encore supérieure à 90°, notamment 180°. 3.- Système selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel les moyens d'acquisition (110) comportent une pluralité de caméras (113, 115) disposées sur le navire de combat de manière à obtenir, en tant que données brutes, une pluralité d'images de l'environnement réel du navire, ces images, après synchronisation par des moyens de traitement adaptés et superposition par des moyens de reconstruction adaptés, permettant de recréer une image de l'environnement proche du navire de combat, propre à être intégrée à la modélisation informatique (142) de l'environnement proche du navire. 4.- Système selon la revendication 3, dans lequel la pluralité de caméras comporte au moins une caméra choisie parmi une caméra optique (113) et une caméra infra-rouge (115). 5.- Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un capteur propre à acquérir des données brutes sous l'eau est un sonar à balayage (119). 6.- Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un capteur propre à acquérir des données brutes sur l'eau est un lidar (117). 7.- Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des capteurs de même nature sont disposés sur le navire de combat de manière à acquérir des données brutes sur l'intégralité de l'environnement proche du navire de combat, compte tenu de la zone angulaire de sensibilité de chaque capteur. 8.- Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, réalisé à partir de composants du commerce du type COTS pour « Commercial Off The Shelf ». 9.- Navire de combat (1) comportant un système intégré d'aide à la conduite et à la navigation d'un navire de combat conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8.