EP3004912A1 - Procédé et dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines - Google Patents

Procédé et dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines

Info

Publication number
EP3004912A1
EP3004912A1 EP14738544.7A EP14738544A EP3004912A1 EP 3004912 A1 EP3004912 A1 EP 3004912A1 EP 14738544 A EP14738544 A EP 14738544A EP 3004912 A1 EP3004912 A1 EP 3004912A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
beacons
network
mobile
acoustic
series
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14738544.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Didier Charlot
Sébastien Pennec
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
iXBlue SAS
Original Assignee
iXBlue SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by iXBlue SAS filed Critical iXBlue SAS
Publication of EP3004912A1 publication Critical patent/EP3004912A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/52004—Means for monitoring or calibrating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S1/00—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith
    • G01S1/72—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • G01S1/76—Systems for determining direction or position line
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/87—Combinations of sonar systems
    • G01S15/874—Combination of several spaced transponders or reflectors of known location for determining the position of a receiver

Definitions

  • the present invention relates to acoustical metrology systems and methods used for the positioning of underwater structures and / or for the navigation of marine or submarine vehicles. More specifically, the invention relates to a method and a metrology system for calibrating the geometry of a network of immersed acoustic beacons and simultaneously navigation of a marine or underwater vehicle with respect to this network of beacons .
  • Subsea acoustic metrology systems and methods are commonly used to determine the relative positions and orientations of two submerged structures to which acoustic beacons are attached.
  • Each acoustic beacon is provided with at least one transmitter or acoustic transponder, adapted to emit an acoustic signal specific to each beacon.
  • the acoustic beacons are assumed to be fixed relative to one another.
  • the acoustic beacons can be fixed on the sea floor or on submerged equipment such as two ends of sections of a submarine pipeline that is to be connected by a pipe.
  • a network of beacons is understood to mean a plurality of immersed acoustic beacons that are spatially distributed over a beacon field.
  • Tags can be located in a two or three-dimensional tag field.
  • the geometry of a network corresponds to the set of spatial positions with two or three dimensions of each of the beacons of this network, for example represented in the form of Cartesian coordinates (XYZ) where Z represents the depth of immersion.
  • Underwater acoustic metrology systems and methods also provide measures to assist navigation of surface or submarine vehicles equipped with transmitters and / or acoustic receivers to determine the position of the vehicle in relation to a network.
  • fixed beacons whose positions are previously calibrated.
  • LBL Long Base Line
  • the inertial navigation systems are based on the use of an inertial unit comprising three accelerometers and three gyroscopes that integrate the acceleration and rotation measurements to deduce the displacement of a vehicle in three dimensions and its current position with respect to a reference frame.
  • hybrid navigation systems that combine an inertial navigation system and one or more other Doppler Velocity Log (DVL) sensors, acoustic distance measuring sensor and / or immersion depth sensor.
  • DVD Doppler Velocity Log
  • the simultaneous measurements of the position of the mobile and the beacons are obtained by a data processing generally based on a Kalman algorithm merging the distance information, speed compensated attitude measurements and / or of immersion depth.
  • FIG. 1 shows schematically a LBL type system according to the prior art.
  • the LBL system comprises a beacon network 10 formed of fixed beacons 11, 12, 13, 14, 15, 16.
  • a remotely operated vehicle (ROV) is equipped with an acoustic distance meter 21 embedded.
  • ROV remotely operated vehicle
  • the LBL system uses only acoustic distance measurements, or more precisely acoustic time-of-flight measurements converted into distances by a multiplicative factor based on an average estimate of the acoustic wave velocity between the mobile and the beacons or better by velocity profile of the acoustic waves between the mobile and the beacons, the velocity profile being in particular a function of the immersion depth of the beacons.
  • a first phase we seek to calibrate the geometry of a network of beacons of an LBL system, that is to say to determine the relative positions of the beacons of a network comprising a number Nb of beacons, where Nb is an integer.
  • Nb is an integer.
  • One or more of the tags may for example be attached to submerged structure elements whose relative positions are to be determined, for example pipeline ends to be connected.
  • the calibration of the beacon network geometry is obtained by a series of direct distance measurements between the beacons.
  • the second tag 12 defines one of the axes, for example the X axis, and is positioned at (0, y2, z2).
  • the maximum possible number of direct measurements between two tags is: Nb * (Nb-1) / 2.
  • Nb * (Nb-1) / 2 the number of unknowns is 2 + 3 * (Nb-2).
  • Nb * (Nb-1) / 2 must therefore be greater than or equal to (3 * Nb) -4, which gives Nb greater than or equal to 6.
  • Nb * (Nb-1) / 2 must therefore be greater than or equal to (3 * Nb) -4, which gives Nb greater than or equal to 6.
  • Nb * (Nb-1) / 2 must therefore be greater than or equal to (3 * Nb) -4, which gives Nb greater than or equal to 6.
  • Nb * (Nb-1) / 2 must therefore be greater than or equal to (3 * Nb) -4, which gives Nb greater than or equal to 6.
  • 3D mode it therefore, at least six tags are required to fully determine the relative positions of the beacons of a network of an LBL system.
  • the relative position of the mobile 20 with respect to the beacon network 10 is obtained by trilateration from the distance measurements between the mobile and the beacon network.
  • the mobile must be able to communicate with at least three tags.
  • FIG. 2 schematically shows a system of USBL or SBL type according to the prior art.
  • a mobile system 20 is provided with an acoustic transmitter 21, a mini network of acoustic sensors 22 in reception and an attitude center 23.
  • a beacon 1 1 (fixed or not) comprises an acoustic transducer adapted to receive an acoustic signal emitted by the acoustic transmitter of the mobile system 20 and to transmit in response an acoustic signal detected by the mini-array of sensors 22 and by the attitude unit 23 of the mobile 20.
  • USBL system (or SBL) provides, for each interrogated beacon, the distance measurement d between the mobile 20 of the beacon 1 1 and the direction relative to a horizontal line H via the inclination angle ⁇ .
  • the USBL system is coupled to a GPS system (or other system providing an absolute position) to calibrate the absolute position of the tag 1 1 being interrogated.
  • the USBL system is positioned by interrogating the fixed beacon 1 whose position is known. A single tag 1 1 is sufficient for navigation. However, the integration of an attitude center and an acoustic sensor remains complex.
  • FIG. 3 diagrammatically represents a hybrid or inertial coupled navigation system comprising an inertial navigation unit (INS) 26 coupled to at least one other sensor, for example an acoustic distance measuring sensor 21.
  • the inertial unit 26 provides the displacement of the mobile with respect to an initial position from the rotation measurements and by double integration of the accelerations.
  • TINS is coupled to one or more other measurement systems: speed measurement 25 obtained by log Doppler (DVL), immersion depth sensor 24, acoustic sensor 21 measuring distance relative to one or more tags 1 1, 12 of known or unknown positions.
  • Inertial coupled type systems therefore use a displacement sensor (or speed) provided by the inertial unit generally coupled to acoustic sensors for measuring distance 21, immersion depth 24 and / or tidal amplitude. .
  • an inertial coupled system simultaneously determines the estimation of the mobile position and the estimation of the position of the one or more tags 1 1, 12 constituting the network of tags 10.
  • the calibration and navigation are performed simultaneously.
  • the algorithm implemented for the calibration and navigation of an inertial coupled system is generally a Kalman algorithm which merges the information provided by the inertial unit 26 and the measurements of one or more auxiliary sensors to determine at a time. the position of the mobile 20 and that of the beacons 1 1, 12.
  • This type of algorithm is well known by the acronym SLAM (Simultaneous Localization and Mapping).
  • an inertial coupled system requires at least one inertial unit and one or more other sensors.
  • an inertial coupled system remains sensitive to the drifts of the inertial unit.
  • the fabrication of an inertial coupled system is relatively complex and requires a relatively long alignment phase.
  • the different metrology systems and processes for calibration and existing navigation are complex systems that typically incorporate several different measurement techniques.
  • the calibration phases of LBL, SBL / USBL or coupled inertial systems are usually long and complex.
  • the present invention aims to overcome these disadvantages and to provide a system and a method of navigation and calibration simpler to implement and which is compatible with a reduced number of sensors. More precisely, the invention proposes a method of metrology for the calibration of the geometry of a network of underwater acoustic beacons, the network comprising an integer number Nb of fixed beacons and spatially delimiting a field of two-dimensional beacons or respectively three-dimensional, each of the acoustic beacons comprising means for transmitting and / or receiving acoustic signals, the metrology method implementing a mobile, the mobile having means for interrogating and receiving the acoustic signals respectively from each of the network beacons, the metrology method comprising the following steps:
  • Nm series of Nb acoustic measurements of relative distance between the mobile and respectively each Nb of the network with Nm integer greater than or equal to three and Nb greater than or equal to three for a two-dimensional calibration and respectively Nm an integer greater than or equal to eight and Nb greater than or equal to four for a three-dimensional calibration; the acquisition of the series of acoustic measurements being performed dynamically during a movement of the mobile to a series of Nm successive positions;
  • the method further comprises an initial step of estimating an approximate value of the relative positions of each beacon in the beacon field and estimating an approximate value of the position of the mobile relative to the beacon field and step of acquiring the series of acoustic measurements of relative distance between the mobile and respectively each of the Nb beacons of the network is performed during a movement of the mobile around the approximate position of the beacon field;
  • the displacement of the mobile during the measurement acquisition step is carried out according to a curve or a portion of circular, elliptical or rectangular curve around the approximate position of the beacon field;
  • the metrology method further comprises a step of determining the difference in immersion depth between tags
  • the metrology method further comprises a measurement of the immersion depth of each of the tags and the mobile;
  • the method of metrology includes a step of compensating for changes in depth of immersion of the beacons and the mobile according to the tides, said compensation being deduced preferably from a tide gauge or a tidal prediction model;
  • the metrology method simultaneously makes it possible to navigate the mobile, and the step of executing an algorithm for minimizing the digital function C makes it possible to deduce therefrom an estimate of the relative position of the mobile with respect to the estimated values of the variables representative of the relative positions of the Nb beacons of the beacon network.
  • the metrology method further comprises:
  • the invention also relates to a metrology device for calibrating the geometry of a network of underwater acoustic beacons, the network comprising an integer number Nb of fixed beacons and spatially delimiting a beacon field, each of the acoustic beacons comprising means for transmitting and / or receiving acoustic signals, the metrology device comprising a mobile, the mobile comprising means interrogating and receiving the acoustic signals respectively from each of the network beacons.
  • the metrology device comprises a computer configured to: e) receive Nm series of Nb acoustic measurements of relative distance between the mobile and respectively each beacon of the network, with Nm whole number greater than or equal to three and Nb higher or equal to three for a two-dimensional calibration and respectively Nm integer greater than or equal to eight and Nb greater than or equal to four for a three-dimensional calibration; said series of acoustic measurements being dynamically acquired during movement of the moving body to a series of Nm successive positions; f) calculating a numerical function C as a function, on the one hand, of the series of acoustic measurements of relative distance and, on the other hand, of variables representative of the relative positions of the beacons in the field of two-dimensional or three-dimensional beacons;
  • the computer is furthermore configured for:
  • the metrology device further comprises a sensor for the immersion depth of the mobile and means for measuring the difference in immersion depth between beacons or means for measuring the immersion depth of each of the tags; and / or a tide gauge or means for calculating the amplitude of the tides adapted to compensate for variations in immersion depth of the mobile and beacons as a function of the tides.
  • the invention will find a particularly advantageous application in the calibration of a network of acoustic beacons and in the navigation of a remotely controlled surface or submarine vehicle.
  • the invention advantageously makes it possible to calibrate the geometry of a network of beacons without reference to an absolute metrology device (GPS or other type) while at the same time ensuring the navigation of a mobile with respect to this network of beacons.
  • the present invention also relates to the features which will emerge in the course of the description which follows and which will have to be considered individually or in all their technically possible combinations.
  • FIG. 1 schematically shows a navigation system type LBL according to the prior art
  • FIG. 2 diagrammatically represents a navigation system of the USBL or SBL type according to the prior art
  • FIG. 3 represents an inertial coupled type navigation system comprising an inertial navigation unit (INS) coupled to at least one other sensor;
  • INS inertial navigation unit
  • FIG. 4 represents a 3D positioning system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 5 represents a 2D positioning system according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 6 diagrammatically represents a synopsis of a navigation and calibration processing algorithm according to the invention.
  • FIG. 7 represents an example of a series of measurements of distances from a mobile to a network of three beacons as a function of time
  • FIG. 8 schematically represents a two-dimensional map illustrating the trajectory of a mobile around a field of beacons to approximately determine the positions of the beacons
  • FIG. 9 represents a measurement of the differences in the distances between two beacons A and B during a trajectory of the mobile as illustrated in FIG. 8.
  • FIG. 4 represents a submarine acoustic metrology device in 3D according to one embodiment of the invention.
  • a mobile 20 comprises a computer 28 and at least an acoustic distance sensor or distance-meter 21 adapted to interrogate a network 10 of fixed acoustic beacons 1 1, 12, 13, 14.
  • the device can also operate in "pinger" mode where the beacons transmit acoustic signals at a predefined rate synchronously with a reference clock, and the mobile receives the signals transmitted by the beacons, as well as the signal of the reference clock.
  • the computer 28 is configured to execute the computer implementation of a 3D mode algorithm which simultaneously estimates the three-dimensional geometry of the acoustic beacon network 1 1, 12, 13, 14 and the three-dimensional position of the mobile 20 relative to with tags 1 1, 12, 13, 14.
  • the distance-meter 21 emits an acoustic signal common interrogation and each tag 1 1, 12, 13, 14 responds with its own code.
  • the distance-meter 21 thus measures the distances d 1: d 2, d 3 and d 4 between the mobile 20 and respectively each of the beacons for 1 1, 12, 13, 14 at a series of instants f or recurrences of measurement.
  • the algorithm in 3D mode can only use acoustic measurements.
  • the device in 3D mode does not require any additional sensors, such as an inertial unit, an attitude unit or a Doppler log (DVL).
  • the beacon network 10 comprises three fixed beacons 1 1, 12, 13.
  • the beacon network is two-dimensional, the three beacons being contained in a same plane and not aligned.
  • the mobile system 20 comprises a calculator 28, a distance-meter 21.
  • the mobile system 20 is further provided with an immersion sensor 24.
  • the immersion depth of the beacons 1 1, 12, 13 is assumed to be known.
  • the computer 28 is configured to execute the computer implementation of a 2D mode algorithm which simultaneously estimates, in horizontal projection, the geometry of the beacon network 10 and the position of the mobile 20 relative to the beacons.
  • an immersion sensor 34 located at a fixed position and which records or transmits the value of the depth of immersion of this sensor. depending on the variations due to the tides or in a variant using tags provided with an immersion sensor and able to transmit this information to the mobile by a telemetry means.
  • FIG. 6 diagrammatically represents an example of an acquisition and processing algorithm according to an embodiment of the invention to enable the calibration of the geometry of a beacon network and the navigation aid of a mobile in providing the relative position of the mobile with respect to this beacon network.
  • the metrology process comprises the following steps:
  • a step 50 of interpolation for example linear, distances (optional);
  • a step 90 of estimating the position of the mobile with respect to the network of beacons is a step 90 of estimating the position of the mobile with respect to the network of beacons.
  • the calibration mode operates dynamically during a movement of the mobile system 20.
  • the calibration is performed at the same time as the navigation.
  • the metrology process combines the calibration and navigation modes.
  • the method is then applied recursively, new data acquisitions allowing on the one hand to refine if necessary the estimation of the geometry of the network of tags and on the other hand to determine a new estimate of the position of the mobile.
  • the navigation of the mobile can also be performed by a conventional trilateration algorithm.
  • step 30 the mobile system 20 acquires N series of acoustic measurements of distances d 1: d 2 , cf 3 ... d N between the mobile 20 and respectively each of the beacons 1 1, 12, 13 ... of the tag network 10 as a function of time.
  • a first series of distance measurements is acquired between the mobile and the first beacon 11 for a series of recurrences of measurements, during the movement of the mobile.
  • a second series of distance measurements is acquired between the mobile and the second beacon 12 for a series of recurrences of measurements during the same movement of the mobile.
  • N series of Nb distance measurements are thus acquired between the mobile and each of the Nb beacons of the network as a function of time, during the movement of the mobile.
  • Acoustic distance measurements are conventionally made from acoustic measurements of flight time taking into account the speed of the marine environment or, preferably, the velocity profile between the sensor 21 and the beacons 1 1, 12, 13, 14.
  • Nm be the number of positions of the mobile as a function of time and Nb the number of acoustic beacons 1, 2, 3 possibly 4.
  • the number of recurrences or measurement points Nm must be greater than a minimum value explained in the following paragraphs. The more Nm increases, the more the redundancy of the distance measurements increases and ultimately the more the measurement accuracy increases.
  • Nb series of Nm recurrences are thus available, forming a series of Nm.Nb acoustic measurements of distances for Nm variable positions of the mobile with respect to the network of beacons.
  • Nm the minimum number of points in this series of Nm.Nb measures.
  • Nm the number of recurrences corresponding to as many successive positions of the mobile and Nb the number of beacons.
  • Nm and Nb are positive integers.
  • the number of beacons Nb is greater than or equal to 4.
  • the number of recurrences Nm is greater than or equal to 8.
  • the minimum number of points in the acoustic measurement series in 3D mode is therefore 32, for 4 beacons.
  • the number of beacons Nb is equal to 4
  • the number of recurrences Nm is greater than or equal to 6.
  • the minimum number of points in the series of acoustic measurements in 2D mode 1 ⁇ 2 is therefore 24, for 4 tags.
  • the minimum number of tags is four in 2D 1 ⁇ 2 or 3D mode, and three in 2D mode.
  • the calibration method uses a series of independent acoustic measurements corresponding to variable positions of the mobile 20 with respect to the beacon network to determine the geometry of the beacon network.
  • mobile 20 is in motion during the calibration procedure. With the mobile in motion, the series of measurements acquired over time represents a series of measurements at variable positions of the mobile 20 with respect to the beacon network.
  • the step 40 of filtering the distance measurements the purpose of which is to reject the aberrant acoustic measurements caused for example by multiple paths of the acoustic waves between the mobile 20 and an acoustic beacon.
  • Vmax typically 1 to 2m / s.
  • the measurement filtering step 40 thus makes it possible to eliminate the aberrant acoustic measurement points of distances between the mobile and each of the beacons.
  • the interpolation step 50 which is intended to provide measurements of the distances of the mobile relative to each of the beacons at the same instant t, whatever the distance between the mobile and these tags.
  • the interpolation can be for example linear. Any other method of parabolic polynomial interpolation using spline functions is suitable.
  • Dmax be the maximum distance between two beacons 1 1, 12 of the network to be calibrated.
  • the mobile moves from 2 * Dmax * V / c.
  • V 1 m / s
  • dT 0.2s
  • a maximum displacement of mobile 20cm If the speed of mobile 20 is constant in direction and normal during dT, the error made by linear interpolation of the distance at step 50 is negligible: thus to obtain an accuracy of 2 cm, a nonlinearity ⁇ 10 %.
  • FIG. 7 schematically represents measurements of distance between a mobile and three acoustic beacons as a function of time, after filtering the acoustic data and interpolation between measurement points of a series of measurements, represented by crosses. .
  • the measured distances are interpolated at the same reception time (see Figure 7).
  • the dotted curve represents the measurement of distance between the mobile and a first beacon 11 after filtering and interpolation; the curve in solid line represents the measurement of distance between the mobile and a second tag 12 after filtering and interpolation; the dashed curve represents the measurement of distance between the mobile and a third beacon 13 after filtering and interpolation.
  • the three circles correspond respectively to a measurement of one of the three distances interpolated at a time t, -.
  • the interpolation step makes it possible to replace the outliers that have been eliminated in the filtering step by interpolated measurement points.
  • the interpolation step makes it possible to provide measurements of the distance of the mobile to the different beacons at the same time t arbitrary, although the arrival times of the different acoustic signals of the different beacons are generally all different.
  • Nb series of measurements of distances from the mobile to each beacon of the beacon network are thus available at a series of times t, -.
  • the time interval between two measurements is chosen to be of the order of one second for a measurement series that can reach a few hundred or even thousands of recurrences, which corresponds to an acquisition time of typically a few tens of minutes.
  • the minimum number Nm of points of the series of measurements is greater than or equal to 8 in 3D mode, and respectively greater than or equal to 3 in 2D mode, as detailed in the paragraph detailing the acquisition of the data.
  • the series of interpolated distance measurements comprises at least a series of Nm distance measurements for each beacon of the network.
  • the maximum number of measurement points Nm is as previously indicated of the order only a few hundred or even thousand of measurements.
  • the computer seeks to determine the geometry of the beacon network without knowing the position of the mobile.
  • Step 60 relies on executing the computer implementation of an algorithm to determine the positions of the tags.
  • This algorithm is based on the computation and minimization of a mathematical function, classically called the cost function C (y2, x3, y3) for a series of measurements at a series of instants t, -.
  • the cost function is obtained by eliminating the coordinates (x, y) of the mobile between the three equations obtained at each recurrence
  • the global cost function C is independent of the coordinates (x, y) of the mobile.
  • step 70 the computer 28 minimizes this cost function.
  • a known minimization algorithm such as a Levenberg Marquart gradient minimization algorithm, or a global Monte Carlo, genetic minimization method. The convergence is even faster than the initial values of position of the beacons are precise. In the case where the initial position information of the beacons is not available, an initialization procedure must be undertaken. A simple method for obtaining initial estimates of beacon positions is described below in the "Beacon Position Initialization Mode" section.
  • the result of this minimization provides an estimate of the relative positions of the Nb network tags in the beacon field mark. This provides the calibration of the beacon network (step 80).
  • the calibration mode operates dynamically that is to say during the movement of the mobile system 20.
  • the approximate position of the beacon network is generally known with an accuracy of a few meters or a few tens of meters before starting the calibration.
  • the movement of the mobile during the calibration is carried out along a path that surrounds the beacon field, that is to say a space zone comprising all the beacons of the network, whose position is known approximately.
  • the trajectory of the mobile is preferably symmetrical around the network of tags, for example circular, or square. In 3D mode you have to make sure that the mobile is not navigating in the beacon plan.
  • This trajectory around the beacon network makes it possible to reduce the errors of bias with respect to each of the beacons: bias induced by a bad measurement of immersion or speed, for example. Indeed, to convert the flight time measurements into acoustic distance, we usually use an average speed.
  • the trajectory around the beacon network thus makes it possible to average the errors due to the average speed.
  • the distance between the transponders of the beacons of the network is generally between 20 meters to a hundred meters.
  • the distance between the mobile and the beacon network is generally less than a few hundred meters.
  • the calibration method of the invention makes it possible to estimate the relative position of the beacons with an accuracy of the order of 5 to 10 centimeters, regardless of the distance between the mobile and the beacon network.
  • all the beacons are not necessarily acoustically visible from the mobile, the aberrant measurement points being filtered by the processing algorithm and replaced by interpolated points.
  • the calibration of the geometry of the beacon network does not require any measurement of direct distance between the beacons.
  • the calibration method therefore imposes no acoustic visibility constraints between the beacons.
  • the modes to 3D and 2D 1 ⁇ 2 can be generalized from the mode to 2D.
  • the unknowns are the 3D position (x, y, z) of the mobile with respect to the beacon field and the 2D geometry of the beacon network.
  • the first beacon B1 is the reference beacon.
  • B1 (0,0,0), B2 (0, y2, z2), B3 (x3, y3, z3) and B4 (x4, y4, z4) be the coordinates of the 4 tags.
  • the relative immersion depths between beacons are assumed to be known: the values of z2, z3 and z4 are therefore assumed to be known.
  • the unknowns of the system are then the 5 parameters (y2, x3, y3, x4, y4).
  • the cost function is obtained by eliminating the coordinates (x, y, z) of the mobile between the four equations obtained at each recurrence:
  • the unknowns are the 3D position (x, y, z) of the mobile with respect to the beacon field and the 3D geometry of the beacon network.
  • the first beacon B1 is the reference beacon. Let B1 (0,0,0), B2 (0, y2, z2), B3 (x3, y3, z3) and B4 (x4, y4, z4) be the coordinates of the 4 tags, then the unknowns of the system are the 8 parameters (y2, z2, x3, y3, z3, x4, y4, z4).
  • the cost function is obtained by eliminating the coordinates (x, y, z) of the mobile between the four equations obtained at each recurrence. The equations are identical to the previous case in 2D 1 ⁇ 2 mode.
  • the position of the beacons is obtained by minimizing a cost function. To ensure convergence it is better to have a good estimate of the initial tag position values.
  • the geometries of offshore structures are known to a few meters at worst which is sufficient.
  • Figures 8 and 9 illustrate a simple method for determining them.
  • the mobile 20 performs a trajectory 29, shown in dashed lines in FIG. 8, which encompasses the whole of the beacon field, while making a measurement of the differences in the distances between beacons along this trajectory 29 as described.
  • the mobile 20 describes a path 29 around the three tags A, B, C in the direction indicated by the arrow.
  • FIG. 9 represents the measurement in absolute value of the difference in distance between the beacons A and B:
  • the system calculator can update the position of the network by means of the equations (Eq 1 .a and Eq 1 .b) and from this new estimate of the geometry of the network, provide an estimate of the position of the mobile by applying for example the equation Eq 1 .a (step 90).
  • the metrology device of the invention has the advantage of allowing the calibration of a beacon network using only distance measurements, or more precisely flight time measurements between a mobile equipped with a distance-meter interrogating a network of fixed beacons.
  • the mobile is also equipped with an immersion sensor
  • the device can use distance measurements combined with immersion depth measurements.
  • the device simultaneously estimates the geometry of the network of fixed beacons (metrology function for calibration) and the position of the mobile relative to the network (navigation function). No prior knowledge about the position of the beacons and the mobile is necessary.
  • the system estimates the position of the mobile and the network geometry by moving around and / or within the beacon field.
  • the proposed device provides significant benefits for the metrology function in comparison with the different prior devices.
  • the metrology device of the invention offers greater simplicity and speed of implementation.
  • the acoustic beacons of the network can be arranged without any acoustic visibility constraint between beacons.
  • all the beacons of the network must be arranged in such a way as to communicate with each other in pairs for the calibration.
  • the device of the invention can operate with a network having a smaller number of deployed tags. In 3D mode, only four tags are required according to the invention, instead of at least six tags in a LBL system in 3D mode. In 2D mode, the device of the invention requires the same minimum number of three tags as a 2D LBL device.
  • the device of the invention is however not limited to a number Nb of tags and can operate with a network of tags comprising more tags than the minimum number of tags defined above according to the configuration in 2D, 2D1 mode. / 2, or 3D.
  • the device of the invention thus imposes less relative position constraints of the acoustic beacons while offering the possibility of simultaneously performing the calibration of a beacon network and the navigation of a mobile.
  • the metrology system of the invention offers greater simplicity: the device of the invention does not necessarily require Loch Doppler DVL or immersion sensor, or even tide gauge, if you deploy four tags in 3D mode.
  • the metrology system of the invention Compared to USBL and SBL systems, the metrology system of the invention also offers greater simplicity, since it does not require a central attitude.
  • the method of the invention may advantageously be implemented on old acoustic devices of the LBL type for example, replacing another method of calibration and / or navigation.
  • the device and the method of the invention offer a resolution of the centimeter order which is sufficient for submerged structures positioning applications equipped with beacons and for the navigation of a mobile, and makes it possible to perform a calibration in one lap fast time typically less than one hour.
  • a LBL-type device offers a resolution typically better of the order of a millimeter but in a much longer period of time of the order of 24 hours.
  • the system makes it possible to quickly reach a resolution that is certainly less than that of a device. of LBL type but which generally is sufficient for the intended applications.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de Nb balises acoustiques sous-marines fixes (11, 12, 13, 14) délimitant un champ de balises, mettant en œuvre un mobile (20) comportant des moyens de réception des signaux acoustiques provenant respectivement de chacune des balises du réseau. Selon l'invention, le procédé de métrologie comprend les étapes suivantes : acquisition de Nm séries de Nb mesures acoustiques de distance relative entre le mobile et respectivement chaque balise du réseau, pendant un déplacement du mobile; calcul d'une fonction numérique C à partir de la série de mesures acoustiques des distances relatives et de paramètres représentatifs des positions relatives des balises; - exécution d'un algorithme de minimisation de la fonction numérique C pour en déduire une estimation des valeurs des paramètres de position relative de chacune des balises du réseau.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE METROLOGIE POUR LA CALIBRATION DE LA GEOMETRIE D'UN RESEAU DE BALISES ACOUSTIQUES SOUS-MARINES
La présente invention se rapporte aux systèmes et procédés de métrologie acoustique utilisés pour le positionnement de structures sous-marines et/ou pour la navigation de véhicules marins ou sous-marins. Plus précisément, l'invention se rapporte à un procédé et un système de métrologie permettant la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques immergées et simultanément la navigation d'un véhicule marin ou sous-marin par rapport à ce réseau de balises.
Les systèmes et procédés de métrologie acoustique sous-marine sont couramment utilisés pour déterminer les positions et orientations relatives de deux structures immergées sur lesquelles sont fixées des balises acoustiques.
Chaque balise acoustique est munie d'au moins un émetteur ou d'un transpondeur acoustique, adapté pour émettre un signal acoustique spécifique à chaque balise.
Dans le présent document, les balises acoustiques sont supposées fixes les unes par rapport aux autres. Les balises acoustiques peuvent être fixées sur le fond sous-marin ou sur des équipements immergés tels que deux extrémités de tronçons d'un pipeline sous-marin que l'on souhaite raccorder par une canalisation.
Dans le présent document, on entend par réseau de balises, ou réseau, une pluralité de balises acoustiques immergées qui sont distribuées spatialement sur un champ de balises. Les balises peuvent être situées dans un champ de balises à deux ou à trois dimensions. La géométrie d'un réseau correspond à l'ensemble des positions spatiales à deux ou trois dimensions de chacune des balises de ce réseau, par exemple représentées sous la forme des coordonnées cartésiennes (XYZ) où Z représente la profondeur d'immersion.
Les systèmes et procédés de métrologie acoustique sous-marine fournissent également des mesures permettant d'aider à la navigation de véhicules de surface ou sous-marins équipés d'émetteurs et/ou de récepteurs acoustiques pour déterminer la position du véhicule par rapport à un réseau de balises fixes dont les positions sont préalablement calibrées.
Il existe différents types de systèmes de métrologie acoustique basés sur la transmission de signaux acoustiques :
- les systèmes type base longue LBL (Long Base Line). Dans un système LBL, la géométrie du réseau de balises est obtenue en mesurant les distances directes entre les balises du réseau ;
- les systèmes type base courte SBL (Short Base Line) ou base ultra-courte USBL (Ultra Short Base Line). Dans un système SBL ou USBL, la position absolue de chacune des balises du réseau est mesurée par le système SBL ou respectivement USBL.
Il existe aussi des systèmes de navigation qui n'utilisent pas la transmission de signaux acoustiques. En particulier, les systèmes de navigation inertiels (INS, Inertial Navigation System) reposent sur l'utilisation d'une centrale inertielle comprenant trois accéléromètres et trois gyroscopes qui intègrent les mesures d'accélération et de rotation pour en déduire le déplacement d'un véhicule en trois dimensions et sa position courante par rapport à un référentiel de départ.
Enfin, il existe des systèmes de navigation hybrides qui combinent une centrale de navigation inertielle et un ou plusieurs autres capteurs de type Loch Doppler (DVL : Doppler Velocity Log), capteur de mesure de distance acoustique et/ou capteur de profondeur d'immersion. Dans un tel système de navigation hybride, les mesures simultanées de la position du mobile et des balises sont obtenues par un traitement des données basé généralement sur un algorithme de Kalman fusionnant les informations de distance, de vitesse compensées des mesures d'attitude et/ou de profondeur d'immersion.
La figure 1 représente schématiquement un système de type LBL selon l'art antérieur. Le système LBL comprend un réseau de balises 10 formé de balises fixes 1 1 , 12, 13, 14, 15, 16. Un véhicule 20 télécommandé (ou ROV pour "remotely operated vehicle") est équipé d'un distance-mètre acoustique 21 embarqué.
Le système LBL se sert uniquement des mesures acoustiques de distances, ou plus précisément des mesures acoustiques de temps de vol converties en distances par un facteur multiplicatif basé sur une estimation moyenne de la célérité des ondes acoustiques entre le mobile et les balises ou mieux par un profil de célérité des ondes acoustiques entre le mobile et les balises, le profil de célérité étant notamment fonction de la profondeur d'immersion des balises.
Dans une première phase, on cherche à calibrer la géométrie d'un réseau de balises d'un système LBL, c'est-à-dire à déterminer les positions relatives des balises d'un réseau comprenant un nombre Nb de balises, où Nb est un nombre entier. Une ou plusieurs des balises peuvent par exemple être fixées sur des éléments de structures immergées dont on cherche à déterminer les positions relatives, par exemple des extrémités de pipeline à raccorder.
Dans un système LBL, la calibration de la géométrie du réseau de balises est obtenue par une série de mesures de distances directes entre les balises. Dans un réseau de balises à trois dimensions, la première balise 1 1 est arbitrairement positionnée en (x1 =0,y1 =0,z1 =0), la deuxième balise 12 définit un des axes, par exemple l'axe X, et est positionnée en (0,y2,z2). Le nombre maximum possible de mesures directes entre deux balises est de : Nb*(Nb-1 )/2. Pour déterminer les positions relatives des balises du réseau en trois dimensions, ou en mode 3D, le nombre d'inconnues est de 2+3*(Nb-2). Pour pouvoir résoudre le système d'équations, il faut donc que Nb*(Nb-1 )/2 soit supérieur ou égal à (3*Nb)-4, ce qui donne Nb supérieur ou égal à 6. En mode 3D, il faut donc au minimum six balises pour entièrement déterminer les positions relatives des balises d'un réseau d'un système LBL.
De manière analogue, on calcule que pour calibrer la géométrie d'un réseau de balises à deux dimensions d'un système LBL, ou en mode 2D, c'est-à-dire un réseau de balises dans lequel toutes les balises sont situées dans un même plan, il faut au minimum trois balises. Un système de type LBL pose des contraintes de visibilité acoustique des balises. Pour calibrer le réseau d'un système LBL, toutes les balises doivent pouvoir communiquer acoustiquement entre elles, deux à deux. Les balises doivent donc être positionnées les unes par rapport aux autres de manière à ce qu'il n'y ait aucun obstacle à la propagation des ondes acoustiques du moins durant la phase de calibration. De plus, le nombre Nb de balises à déployer est important, Nb étant supérieur ou égal à six, dès que le réseau de balises est à trois dimensions.
En mode navigation, dans un système LBL, la position relative du mobile 20 par rapport au réseau de balises 10 est obtenue par trilatération à partir des mesures de distances entre le mobile et le réseau de balises. Pendant la navigation, le mobile doit pouvoir communiquer avec au moins trois balises.
La figure 2 représente schématiquement un système de type USBL ou SBL selon l'art antérieur. Un tel système utilise des mesures de distances et de direction par rapport à une balise fixe immergée. Dans un système USBL ou SBL, un système mobile 20 est muni d'un émetteur acoustique 21 , d'un mini réseau de capteurs acoustiques 22 en réception et d'une centrale d'attitude 23. Une balise 1 1 (fixe ou non) comprend un transducteur acoustique adapté pour recevoir un signal acoustique émis par l'émetteur acoustique du système mobile 20 et pour émettre en réponse un signal acoustique détecté par le mini-réseau de capteurs 22 et par la centrale d'attitude 23 du mobile 20. Le système USBL (ou SBL) fournit, pour chaque balise interrogée, la mesure de distance d séparant le mobile 20 de la balise 1 1 et la direction par rapport à une ligne horizontale H via l'angle d'inclinaison Θ. Dans le mode de calibration, le système USBL est couplé à un système GPS (ou tout autre système fournissant une position absolue) pour calibrer la position absolue de la balise 1 1 interrogée. Dans le mode de navigation, le système USBL se positionne en interrogeant la balise fixe 1 dont la position est connue. Une seule balise 1 1 suffit pour la navigation. Toutefois, l'intégration d'une centrale d'attitude et d'un capteur acoustique reste complexe.
La figure 3 représente schématiquement un système de navigation hybride ou couplé inertiel comprenant une centrale de navigation inertielle (INS) 26 couplée à au moins un autre capteur, par exemple un capteur 21 de mesure de distance acoustique. La centrale inertielle 26 fournit le déplacement du mobile par rapport à une position initiale à partir des mesures de rotation et par double intégration des accélérations. Dans un système de navigation hybride, pour limiter la dérive de cette centrale inertielle, TINS est couplée à un ou plusieurs autres systèmes de mesures : mesure de vitesse 25 obtenue par loch Doppler (DVL), capteur de profondeur d'immersion 24, capteur acoustique 21 de mesure de distance relative par rapport à une ou plusieurs balises 1 1 , 12 de positions connues ou non. Les systèmes de type couplé inertiel se servent donc d'un capteur de déplacement (ou vitesse) fourni par la centrale inertielle couplé généralement à des capteurs acoustiques de mesure de distance 21 , de profondeur d'immersion 24 et/ou d'amplitude de marée.
A la différence des systèmes LBL, SBL ou USBL, un système couplé inertiel détermine simultanément l'estimation de la position du mobile et l'estimation de la position de la ou des balises 1 1 , 12 constituant le réseau de balises 10. Dans un système couplé inertiel, la calibration et la navigation sont donc effectuées simultanément. L'algorithme mis en œuvre pour la calibration et la navigation d'un système couplé inertiel est généralement un algorithme de Kalman qui fusionne les informations fournies par la centrale inertielle 26 et les mesures d'un ou de plusieurs capteurs auxiliaires pour déterminer à la fois la position du mobile 20 et celle des balises 1 1 , 12. Ce type d'algorithme est bien connu sous l'acronyme SLAM (Simultaneous Localisation and Mapping).
Quel que soit le nombre de balises acoustiques, un système couplé inertiel requiert au moins une centrale inertielle et un ou plusieurs autres capteurs. Cependant, un système couplé inertiel reste sensible aux dérives de la centrale inertielle. De plus, la fabrication d'un système couplé inertiel est relativement complexe et requiert une phase d'alignement relativement longue.
Les différents systèmes et procédés de métrologie pour la calibration et la navigation existant sont des systèmes complexes qui intègrent généralement plusieurs techniques de mesure différentes. Les phases de calibration des systèmes LBL, SBL/USBL ou inertiel couplé sont généralement longues et complexes.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un système et un procédé de navigation et de calibration plus simple à mettre en œuvre et qui est compatible avec un nombre réduit de capteurs. Plus précisément, l'invention propose un procédé de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines, le réseau comprenant un nombre entier Nb de balises fixes et délimitant spatialement un champ de balises à deux dimensions ou respectivement à trois dimensions, chacune des balises acoustiques comportant des moyens d'émission et/ou de réception de signaux acoustiques, le procédé de métrologie mettant en œuvre un mobile, le mobile comportant des moyens d'interrogation et de réception des signaux acoustiques provenant respectivement de chacune des balises du réseau, le procédé de métrologie comprenant les étapes suivantes :
a) acquisition de Nm séries de Nb mesures acoustiques de distance relative entre le mobile et respectivement chacune des Nb balises du réseau, avec Nm nombre entier supérieur ou égal à trois et Nb supérieur ou égal à trois pour une calibration à deux dimensions et respectivement Nm nombre entier supérieur ou égal à huit et Nb supérieur ou égal à quatre pour une calibration à trois dimensions ; l'acquisition des séries de mesures acoustiques s'effectuant de manière dynamique pendant un déplacement du mobile à une série de Nm positions successives ;
b) calcul d'une fonction numérique C en fonction d'une part des séries de mesures acoustiques de distance relative et d'autre part de variables représentatives des positions relatives des balises dans le champ de balises à deux dimensions ou respectivement à trois dimensions ; c) exécution d'un algorithme de minimisation de la fonction numérique C pour en déduire une estimation des valeurs des variables représentatives des positions relatives de chacune des balises du réseau à deux ou respectivement à trois dimensions ;
d) détermination de la géométrie du réseau de balises en fonction des valeurs estimées des variables représentatives des positions relatives des Nb balises du réseau.
Selon des aspects particuliers et avantageux du procédé de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines :
- le procédé comporte en outre une étape initiale d'estimation d'une valeur approximative des positions relatives de chaque balises dans le champ de balises et d'estimation d'une valeur approximative de la position du mobile par rapport au champ de balises et l'étape d'acquisition des séries de mesures acoustiques de distance relative entre le mobile et respectivement chacune des Nb balises du réseau s'effectue pendant un déplacement du mobile autour de la position approximative du champ de balises ;
- le déplacement du mobile pendant l'étape d'acquisition de mesures s'effectue suivant une courbe ou une portion de courbe circulaire, elliptique ou rectangulaire autour de la position approximative du champ de balises ;
- le procédé de métrologie comprend en outre une étape de détermination de la différence de profondeur d'immersion entre balises ;
- le procédé de métrologie comprend en outre une mesure de la profondeur d'immersion de chacune des balises et du mobile ;
- le procédé de métrologie comprend une étape de compensation des variations de profondeur d'immersion des balises et du mobile en fonction des marées, ladite compensation étant déduite de préférence d'un marégraphe ou d'un modèle de prédiction des marées ;
De façon particulièrement avantageuse, le procédé de métrologie permet simultanément la navigation du mobile, et l'étape d'exécution d'un algorithme de minimisation de la fonction numérique C permet d'en déduire une estimation de la position relative du mobile par rapport aux valeurs estimées des variables représentatives des positions relatives des Nb balises du réseau des balises.
Selon d'autres aspects particuliers, le procédé de métrologie comprend en outre :
- une étape de filtrage des données des Nm séries de Nb mesures acoustiques avant l'étape de calcul de la fonction numérique C ;
- une étape d'interpolation des données des Nm séries de Nb mesures acoustiques issues de l'étape d'acquisition ou respectivement de filtrage, ladite étape d'interpolation étant effectuée avant l'étape de calcul de la fonction numérique C.
L'invention concerne aussi un dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines, le réseau comprenant un nombre entier Nb de balises fixes et délimitant spatialement un champ de balises, chacune des balises acoustiques comportant des moyens d'émission et/ou de réception de signaux acoustiques, le dispositif de métrologie comprenant un mobile, le mobile comportant des moyens d'interrogation et de réception des signaux acoustiques provenant respectivement de chacune des balises du réseau.
Selon l'invention, le dispositif de métrologie comporte un calculateur configuré pour : e) recevoir Nm séries de Nb mesures acoustiques de distance relative entre le mobile et respectivement chaque balise du réseau, avec Nm nombre entier supérieur ou égal à trois et Nb supérieur ou égal à trois pour une calibration à deux dimensions et respectivement Nm nombre entier supérieur ou égal à huit et Nb supérieur ou égal à quatre pour une calibration à trois dimensions ; lesdites séries de mesures acoustiques étant acquises de manière dynamique pendant un déplacement du mobile à une série de Nm positions successives ; f) calculer une fonction numérique C en fonction d'une part des séries de mesures acoustiques de distance relative et d'autre part de variables représentatives des positions relatives des balises dans le champ de balises à deux dimensions ou respectivement à trois dimensions ;
g) exécuter un algorithme de minimisation de la fonction numérique C pour en déduire une estimation des valeurs des variables représentatives des positions relatives de chacune des balises du réseau à deux ou respectivement à trois dimensions ; et
h) déterminer la géométrie du réseau de balises en fonction des valeurs estimées des variables représentatives des positions relatives des Nb balises du réseau.
Selon différents aspects particuliers et avantageux du dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines, le calculateur est en outre configuré pour :
i) filtrer numériquement les données des Nm séries d'au moins Nb mesures acoustiques ; j) interpoler les données filtrées desdites desdites Nm séries de Nb mesures acoustiques de distance relative avant de calculer la fonction numérique C ;
- estimer simultanément la position relative du mobile et les positions des balises à l'étape de minimisation de la fonction numérique C pour permettre simultanément la calibration de la géométrie du réseau de balises acoustiques sous-marines et la navigation du mobile.
De façon avantageuse, le dispositif de métrologie comprend en outre un capteur de la profondeur d'immersion du mobile et des moyens de mesure de la différence de profondeur d'immersion entre balises ou des moyens de mesure de la profondeur d'immersion de chacune des balises ; et/ou un marégraphe ou des moyens de calcul de l'amplitude des marées adaptés pour compenser les variations de profondeur d'immersion du mobile et des balises en fonction des marées.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans la calibration d'un réseau de balises acoustiques et dans la navigation d'un véhicule de surface ou sous- marin télécommandé.
L'invention permet avantageusement de calibrer la géométrie d'un réseau de balises sans référence à un dispositif de métrologie absolu (type GPS ou autre) tout en assurant simultanément la navigation d'un mobile par rapport à ce réseau de balises. La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un système de navigation de type LBL selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente schématiquement un système de navigation de type USBL ou SBL selon l'art antérieur ;
- la figure 3 représente un système de navigation de type couplé inertiel comprenant une centrale de navigation inertielle (INS) couplée à au moins un autre capteur ;
- la figure 4 représente un système de positionnement à 3D selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 représente système de positionnement à 2D selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 représente schématiquement un synopsis d'algorithme de traitement de navigation et de calibration selon l'invention ;
- la figure 7 représente un exemple d'une série de mesures de distances d'un mobile à un réseau de trois balises en fonction du temps ;
- la figure 8 représente schématiquement une carte en deux dimensions illustrant la trajectoire d'un mobile autour d'un champ de balises pour déterminer approximativement les positions des balises ;
- la figure 9 représente une mesure des différences des distances entre deux balises A et B au cours d'une trajectoire du mobile telle qu'illustrée sur la figure 8.
DISPOSITIF
La figure 4 représente un dispositif de métrologie acoustique sous-marin en 3D selon un mode de réalisation de l'invention.
Dans sa version à 3D la plus simple, un mobile 20 comporte un calculateur 28 et au minimum un capteur acoustique de distance ou distance-mètre 21 adapté pour interroger un réseau 10 de balises acoustiques fixes 1 1 , 12, 13, 14.
De manière alternative, le dispositif peut aussi fonctionner en mode « pinger » où les balises émettent des signaux acoustiques à une cadence prédéfinie de manière synchronisée avec une horloge de référence, et le mobile reçoit les signaux émis par les balises, ainsi que le signal de l'horloge de référence.
Le calculateur 28 est configuré pour exécuter l'implémentation informatique d'un algorithme en mode 3D qui estime simultanément la géométrie en trois dimensions du réseau de balises acoustiques 1 1 , 12, 13, 14 et la position en trois dimensions du mobile 20 par rapport aux balises 1 1 , 12, 13, 14.
Comme détaillé plus loin, en mode 3D, il faut au minimum quatre balises acoustiques 1 1 , 12, 13, 14. Avantageusement, le distance-mètre 21 émet un signal acoustique d'interrogation commun et chaque balise 1 1 , 12, 13, 14 répond avec son propre code. Le distance-mètre 21 mesure ainsi les distances d1: d2, d3 et d4 entre le mobile 20 et respectivement chacune des balises pour 1 1 , 12, 13, 14 à une série d'instants f ou récurrences de mesure. L'algorithme en mode 3D peut n'utiliser que des mesures acoustiques. Le dispositif en mode 3D ne requiert aucun autre capteur supplémentaire, tel qu'une centrale inertielle, une centrale d'attitude ou un loch Doppler (DVL).
Dans une variante à deux dimensions, ou 2D, décrite en lien avec la figure 5, le réseau de balises 10 comporte trois balises fixes 1 1 , 12, 13. Le réseau de balises est à deux dimensions, les trois balises étant contenues dans un même plan et non alignées. Le système mobile 20 comporte un calculateur 28, un distance-mètre 21 . Le système mobile 20 est en outre muni d'un capteur 24 d'immersion. La profondeur d'immersion des balises 1 1 , 12, 13 est supposée connue. En mode 2D, le calculateur 28 est configuré pour exécuter l'implémentation informatique d'un algorithme en mode 2D qui estime simultanément, en projection horizontale, la géométrie du réseau 10 de balises et la position du mobile 20 par rapport aux balises. Si la mesure s'effectue dans un lieu soumis à des variations de marée, il est nécessaire d'adjoindre un capteur d'immersion 34 situé à une position fixe et qui enregistre ou transmet la valeur de la profondeur d'immersion de ce capteur en fonction des variations dues aux marées ou dans une variante utiliser des balises munies d'un capteur d'immersion et capables de transmettre cette information au mobile par un moyen de télémétrie.
II existe une troisième variante intéressante d'un point de vue pratique qui est identique à la version 2D mais pour laquelle on ne mesure pas l'immersion du mobile ; on connaît seulement les profondeurs d'immersion relatives entre balises, c'est-à-dire la différence de profondeur d'immersion entre les balises. Dans le présent document, on nomme cette variante : mode 2D ½. La différence de profondeur d'immersion entre balises peut être déterminée lors de l'installation des balises par exemple. Une fois connu le plan des balises, il suffit de mesurer l'altitude ΔΖ du mobile 20 par rapport au plan des balises.
PROCEDE
Nous allons détailler plus précisément le mode de fonctionnement à 2D du procédé et d'un système de métrologie selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 6 représente schématiquement un exemple d'algorithme d'acquisition et de traitement suivant un mode de réalisation de l'invention pour permettre la calibration de la géométrie d'un réseau de balises et l'aide à la navigation d'un mobile en fournissant la position relative du mobile par rapport à ce réseau de balises.
Le procédé de métrologie comporte les étapes suivantes :
· une étape 30 d'acquisition d'une série de mesures de distance ;
• une étape 40 de filtrage des données (facultative);
• une étape 50 d'interpolation, par exemple linéaire, des distances (facultative) ;
• une étape 60 de calcul d'une fonction numérique C en fonction d'une part de la série de mesures de distance, de préférence filtrées et interpolées, et d'autre part de variables représentatives des positions relatives des balises du réseau ; • une étape 70 de minimisation de la fonction numérique C ;
• une étape 80 d'estimation de la géométrie du réseau de balises ;
• une étape 90 d'estimation de la position du mobile par rapport au réseau de balises.
Le mode calibration fonctionne de façon dynamique pendant un déplacement du système mobile 20.
A la différence d'un système LBL, suivant le procédé de l'invention, la calibration s'effectue en même temps que la navigation.
Le procédé de métrologie combine ainsi les modes de calibration et de navigation.
Le procédé est ensuite appliqué de manière récursive, de nouvelles acquisitions de données permettant d'une part d'affiner si nécessaire l'estimation de la géométrie du réseau de balises et d'autre part de déterminer une nouvelle estimation de la position du mobile.
Une fois la géométrie du réseau de balises déterminée avec suffisamment de précision, la navigation du mobile peut aussi s'effectuer par un algorithme classique de trilatération.
1 . Acquisition des données
A l'étape 30, le système mobile 20 acquiert N séries de mesures acoustiques de distances d1: d2, cf3 ... dN entre le mobile 20 et respectivement chacune des balises 1 1 , 12, 13... du réseau de balises 10 en fonction du temps.
Plus précisément, on acquiert une première série de mesures de distance entre le mobile et la première balise 1 1 pour une série de récurrences de mesures, pendant le déplacement du mobile. Simultanément, on acquiert une deuxième série de mesures de distance entre le mobile et la deuxième balise 12 pour une série de récurrences de mesures, pendant le même déplacement du mobile. De même, simultanément pour chacune des Nb balises.
On acquiert ainsi N séries de Nb mesures de distances entre le mobile et chacune des Nb balises du réseau en fonction du temps, pendant le déplacement du mobile.
Les mesures de distance acoustique sont effectuées classiquement à partir des mesures acoustiques de temps de vol en prenant en compte la célérité du milieu marin ou, de manière préférée, le profil de célérité entre le capteur 21 et les balises 1 1 , 12, 13, 14.
Notons Nm le nombre de positions du mobile en fonction du temps et Nb le nombre de balises acoustiques 1 , 2, 3 éventuellement 4. Le nombre de récurrences ou points de mesures Nm doit être supérieur à une valeur minimale explicitée dans les paragraphes suivants. Plus Nm augmente, plus la redondance des mesures de distance augmente et in fine plus la précision des mesures augmente.
On dispose ainsi de Nb séries de Nm récurrences, formant une série de Nm.Nb mesures acoustiques de distances pour Nm positions variables du mobile par rapport au réseau de balises.
Déterminons, le nombre minimum de points de cette série de Nm.Nb mesures. Notons Nm le nombre de récurrences correspondant à autant de positions successives du mobile et Nb le nombre de balises. Nm et Nb sont des nombres entiers positifs.
En mode 3D, on cherche à résoudre un système d'équations tel que :
Nb*Nm≥ 3Nm + 2 + 3*(Nb-2),
d'où Nm≥ (3*Nb-4)/(Nb-3).
En mode à 3D, on en déduit que le nombre de balises Nb est supérieur ou égal à 4. Dans le cas où le nombre de balises Nb est égal à 4, on en déduit que le nombre de récurrences Nm est supérieur ou égal à 8. Le nombre minimum de points de la série de mesures acoustiques en mode 3D est donc de 32, pour 4 balises.
En mode 2D, on cherche à résoudre le système d'équations tel que :
Nb*Nm≥ 2Nm + 1 + 2*(Nb-2) soit Nm≥ (2*Nb-3)/(Nb-2),
soit Nb≥3 et pour Nb=3, Nm≥ 3.
En mode à 2D, on en déduit que le nombre de balises Nb est supérieur ou égal à 3. Dans le cas où le nombre de balises Nb est égal à 3, on en déduit que le nombre de récurrences Nm est supérieur ou égal à 3. Le nombre minimum de points de la série de mesures acoustiques en mode 2D est donc de 9, pour 3 balises.
En mode 2D ½ , on cherche à résoudre le système d'équations tel que :
Nb*Nm≥ 3Nm + 2 + 2*(Nb-2) soit Nm≥ (2*Nb-2)/(Nb-3),
soit Nb≥4 et pour Nb=4, Nm≥ 6
En mode à 2D ½ , on en déduit que le nombre de balises Nb est supérieur ou égal à 4.
Dans le cas où le nombre de balises Nb est égal à 4, on en déduit que le nombre de récurrences Nm est supérieur ou égal à 6. Le nombre minimum de points de la série de mesures acoustiques en mode 2D ½ est donc de 24, pour 4 balises.
Le nombre minimum de balises est donc de quatre en mode 2D ½ ou 3D, et de trois en mode 2D.
Le procédé de calibration utilise une série de mesures acoustiques indépendantes correspondant à des positions variables du mobile 20 par rapport au réseau de balises pour déterminer la géométrie du réseau de balises. Contrairement aux dispositifs et procédés antérieurs, le mobile 20 est en mouvement pendant la procédure de calibration. Le mobile étant en mouvement, la série de mesures acquises au cours du temps représente une série de mesures à des positions variables du mobile 20 par rapport au réseau de balises.
Dans ce mode d'acquisition dynamique, il est cependant nécessaire que le mobile ne se déplace pas trop rapidement sinon un biais est introduit et fausse partiellement la mesure. 2. Filtrage des mesures (étape facultative)
Pour améliorer la précision sur les mesures il est préférable (mais pas nécessaire) d'effectuer l'étape 40 de filtrage des mesures de distances qui a pour but de rejeter les mesures acoustiques aberrantes provoquées par exemple par des trajets multiples des ondes acoustiques entre le mobile 20 et une balise acoustique. Un moyen simple est de définir une vitesse maximale Vmax du mobile et de rejeter les couples de distances mesurées à une même balise (d(t1),d(t2)) sur un intervalle de temps dT = (t2-ti) pour lesquelles le rapport :
abs(d(t2)- d(ti))/dT > Vmax.
Typiquement pour un mobile sous-marin effectuant des mesures, l'ordre de grandeur de Vmax est de 1 à 2m/s.
L'étape 40 de filtrage des mesures permet ainsi d'éliminer les points aberrants de mesure acoustiques de distances entre le mobile et chacune des balises.
3. Interpolation des distances (étape facultative)
Pour améliorer la précision de mesure il est préférable (mais pas nécessaire) d'effectuer l'étape 50 d'interpolation qui a pour but de fournir des mesures de distances du mobile par rapport à chacune des balises à un même instant t, quelle que soit la distance entre le mobile et ces balises.
L'interpolation peut être par exemple linéaire. Toute autre méthode d'interpolation parabolique, polynomiale, par utilisation des fonctions spline convient.
Soit Dmax, la distance maximum entre deux balises 1 1 , 12 du réseau à calibrer. En réponse à un signal d'interrogation émis par le distance-mètre 21 , les deux signaux acoustiques provenant de ces deux balises atteignent le distance-mètre 21 avec un intervalle de temps inférieur ou égal à dT=2*Dmax/C. Pendant ce temps dT, le mobile se déplace de 2*Dmax*V/c. En prenant pour la vitesse du mobile V=1 m/s, la célérité des ondes acoustiques dans l'eau C=1500m/s et la distance Dmax =150m, on obtient un intervalle de temps dT= 0.2s et un déplacement maximal du mobile de 20cm. Si la vitesse du mobile 20 est constante en direction et norme pendant dT, l'erreur faite par interpolation linéaire de la distance à l'étape 50 est négligeable : ainsi pour obtenir une précision de 2cm, il suffit d'une non linéarité < 10%.
Exemple de série de mesures filtrées et interpolées
A titre d'exemple illustratif, la figure 7 représente schématiquement des mesures de distance entre un mobile et trois balises acoustiques en fonction du temps, après filtrage des données acoustiques et interpolation entre points de mesure d'une série de mesures, représentées par des croix.
Pour s'affranchir de la variation de position du mobile au cours des réceptions des différents signaux acoustiques provenant respectivement des différentes balises, les distances mesurées sont interpolées à un même instant de réception (voir figure 7).
Plus précisément, sur la figure 7, la courbe en pointillés représente la mesure de distance entre le mobile et une première balise 1 1 après filtrage et interpolation ; la courbe en trait plein représente la mesure de distance entre le mobile et une deuxième balise 12 après filtrage et interpolation ; la courbe en tirets représente la mesure de distance entre le mobile et une troisième balise 13 après filtrage et interpolation. Les trois cercles correspondent respectivement à une mesure d'une des trois distances interpolée à un instant t,-.
L'étape d'interpolation permet de remplacer les points aberrants qui ont été éliminés à l'étape de filtrage par des points de mesures interpolés. De plus, l'étape d'interpolation permet de fournir des mesures de distance du mobile aux différentes balises à un même instant t arbitraire, bien que les instants d'arrivée des différents signaux acoustiques des différentes balises soient généralement tous différents.
On dispose ainsi de Nb séries de mesures de distances du mobile à chacune des balises du réseau de balises, à une série d'instants t,-. Typiquement l'intervalle de temps entre deux mesures est choisi de l'ordre d'une seconde pour une série de mesure pouvant atteindre quelques centaines voir milliers de récurrences ce qui correspond à une durée d'acquisition de quelques dizaines de minutes typiquement. Le nombre minimum Nm de points de la série de mesures est supérieur ou égal à 8 en mode 3D, et respectivement supérieur ou égal à 3 en mode 2D, comme détaillé dans le paragraphe détaillant l'acquisition des données.
La série de mesures de distances interpolées comprend au minimum une série de Nm mesures de distances pour chaque balise du réseau.
Le nombre maximal de points de mesures Nm est comme indiqué précédemment de l'ordre que quelques centaines voire millier de mesures.
La redondance et la précision des mesures augmentent avec le nombre Nm.
4. Estimation de la géométrie du réseau de balises
Mode calibration
Etape 60 de calcul d'une fonction mathématique C
Dans le mode calibration, le calculateur cherche à déterminer la géométrie du réseau de balises sans connaître la position du mobile.
On se place ici dans le mode 2D pour lequel les profondeurs d'immersion des balises et du mobile 20 sont supposées connues. On considère un réseau de balises 10 constitué de trois balises 1 1 , 12, 13 ce qui est le minimum en mode 2D. Soient B1 (0,0), B2(0,y2), B3(x3,y3) les coordonnées respectives des trois balises. Les inconnues du système sont alors les trois paramètres (y2,x3,y3). Les mesures sont les trois distances d1 (t), d2(t), d3(t) mesurées interpolées à chaque instant de réception.
L'étape 60 repose sur l'exécution de l'implémentation informatique d'un algorithme pour déterminer les positions des balises. Cet algorithme repose sur le calcul et la minimisation d'une fonction mathématique, appelée classiquement fonction de coût C(y2,x3,y3) pour une série de mesures à une série d'instants t,-.
Dans le cas 2D avec un réseau de trois balises, la fonction de coût s'obtient en éliminant les coordonnées (x,y) du mobile entre les trois équations obtenues à chaque récurrence
La fonction de coût global à minimiser s'écrit alors en reportant les Eq. 1 .a et 1 .b dans
1 .c : c{y2 » ¾ » y ) = 2 k2 (*) + Â + yl - dl (*') - k2 (*) +
avec /' indice des récurrences, i étant compris entre 1 et Nm
et
y = argmin[c( 2 , ¾ , 3 )] Eq 2
La fonction de coût global C est indépendante des coordonnées (x,y) du mobile.
A l'étape 70, le calculateur 28 effectue la minimisation de cette fonction de coût. On utilise par exemple un algorithme de minimisation connu, tel qu'un algorithme de minimisation de gradient type Levenberg Marquart, ou bien une méthode de minimisation globale de type Monte Carlo, génétique. La convergence est d'autant plus rapide que les valeurs initiales de position des balises sont précises. Dans le cas ou l'information de position initiale des balises n'est pas disponible, une procédure d'initialisation doit être entreprise. Une méthode simple d'obtention des estimations initiales des positions de balises est décrite ci-dessous dans le paragraphe « Mode Initialisation position des balises » .
Le résultat de cette minimisation fournit une estimation des positions relatives des Nb balises du réseau dans le repère du champ de balises. On obtient ainsi la calibration du réseau de balises (étape 80).
Le mode calibration fonctionne de façon dynamique c'est-à-dire pendant le déplacement du système mobile 20.
La position approximative du réseau de balises est généralement connue avec une précision de quelques mètres ou de quelques dizaines de mètres avant de démarrer la calibration.
De préférence, le déplacement du mobile pendant la calibration s'effectue suivant une trajectoire qui entoure le champ de balises, c'est-à-dire une zone spatiale comprenant toutes les balises du réseau, dont la position est connue approximativement. La trajectoire du mobile est de préférence symétrique autour du réseau de balises, par exemple circulaire, ou carrée. En mode 3D il faut s'assurer que le mobile ne navigue pas dans le plan des balises. Cette trajectoire autour du réseau de balises permet de réduire les erreurs de biais par rapport à chacune des balises : biais induit par une mauvaise mesure de l'immersion ou de la célérité par exemple. En effet, pour convertir les mesures de temps de vol en distance acoustique, on utilise généralement une célérité moyenne. La trajectoire autour du réseau de balises permet ainsi de moyenner les erreurs dues à la célérité moyenne.
Pour les besoins opérationnels de positionnement de structures sous-marines, la distance entre les transpondeurs des balises du réseau est généralement comprise entre 20 mètres à une centaine de mètres. La distance entre le mobile et le réseau de balises est généralement inférieure à quelques centaines de mètres.
Le procédé de calibration de l'invention permet d'estimer la position relative des balises avec une précision de l'ordre de 5 à 10 centimètres, indépendamment de la distance entre le mobile et le réseau de balises.
Pendant la trajectoire du mobile autour du réseau de balises, toutes les balises ne sont pas nécessairement visibles acoustiquement du mobile, les points de mesure aberrants étant filtrés par l'algorithme de traitement et remplacés par des points interpolés.
Suivant le procédé de métrologie acoustique détaillé ci-dessus, la calibration de la géométrie du réseau de balises ne nécessite aucune mesure de distance directe entre les balises.
Le procédé de calibration n'impose donc aucune contrainte de visibilité acoustique entre les balises.
Les modes à 3D et à 2D ½ peuvent se généraliser à partir du mode à 2D.
Dans le mode 2D ½ les inconnues sont la position 3D (x,y,z) du mobile par rapport au champ de balises et la géométrie 2D du réseau de balise. Nous avons vu précédemment qu'il était nécessaire d'avoir au minimum 4 balises. La première balise B1 est la balise de référence. Soient donc B1 (0,0,0), B2(0,y2,z2), B3(x3,y3,z3) et B4(x4,y4,z4) les coordonnées des 4 balises. Comme indiqué précédemment, en mode 2D ½, les profondeurs d'immersion relatives entre balises sont supposées connues : les valeurs de z2, z3 et z4 sont donc supposées connues. Les inconnues du système sont alors les 5 paramètres (y2,x3,y3,x4,y4). La fonction de coût s'obtient en éliminant les coordonnées (x,y,z) du mobile entre les quatre équations obtenues à chaque récurrence :
Et la fonction de coût global à minimiser s'écrit finalement
CID (y 2 > 3 > > 4 > y 4 ) =∑ lAJA Ai - dl (i)]2
avec
[ 2 2 2 2 2 2
d2—d1 d3—d1 d4—d1 \
A = (M-1)tM"1 y2, x3, y3, x4, y4 \ = argm \ [C3D{y2, x3, y3, x4, y4 )] Eq 2.b
Dans le mode 3D les inconnues sont la position 3D (x,y,z) du mobile par rapport au champ de balises et la géométrie 3D du réseau de balise. Nous avons vu précédemment qu'il était nécessaire d'avoir au minimum 4 balises. La première balise B1 est la balise de référence. Soient donc B1 (0,0,0), B2(0,y2,z2), B3(x3,y3,z3) et B4(x4,y4,z4) les coordonnées des 4 balises, les inconnues du système sont alors les 8 paramètres (y2,z2,x3,y3,z3,x4,y4,z4). La fonction de coût s'obtient en éliminant les coordonnées (x,y,z) du mobile entre les quatre équations obtenues à chaque récurrence. Les équations sont identiques au cas précédent en mode 2D ½.
Et on a y2, z2, x3, y3, z3,x4, y4, z4 = arg min [C3D(y2, z2, x3, y3, z3, x4, y4, z4)]
Mode initialisation positions des balises
Dans la procédure de calibration décrite précédemment, la position des balises est obtenue par minimisation d'une fonction de coût. Pour assurer la convergence il est préférable d'avoir une bonne estimation des valeurs initiales de position des balises. Dans les applications de métrologie, les géométries des structures offshores sont connues à quelques mètres près au pire ce qui est suffisant.
Dans le cas où les positions des balises ne sont pas connues a priori, les figures 8 et 9 illustrent une méthode simple pour les déterminer. Dans une première phase, le mobile 20 effectue une trajectoire 29, représentée en pointillés sur la figure 8, qui englobe l'ensemble du champ de balises, tout en effectuant une mesure des différences des distances entre balises le long de cette trajectoire 29 comme décrit. Sur la figure 8 le mobile 20 décrit une trajectoire 29 autour des trois balises A,B,C dans le sens indiqué par la flèche. La figure 9 représente la mesure en valeur absolue de la différence de distance entre les balises A et B : |dA-dB|. On observe que la différence des distances dA-dB passe, à deux instants ti et t2, par des maxima dont la valeur est une bonne approximation de la distance inter-balise d(A,B). Sur la figure 8, le mobile 20 est aussi représenté aux instants ti et t2, qui correspondent respectivement aux maxima de |dA-dB|. Ces maxima correspondent aussi à une géométrie où le mobile est sur une droite passant par les positions des balises A et B. Le même procédé s'applique pour déterminer la distance entre les balises A et C et respectivement la distance entre les balises B et C. Connaissant ainsi les trois distances entre paires de balises, on en déduit une première approximation de la position des balises.
Mode simultané navigation et calibration
A partir du moment ou un nombre minimal de mesures a été effectué, qui vaut N_min= (3*Nb-4)/(Nb-3) en mode 3D et N_min = (2*Nb-3)/(Nb-2) en mode 2D, à chaque nouvelle interrogation, le calculateur du système peut mettre à jour la position du réseau au moyen des équations (Eq 1 .a et Eq 1 .b) et à partir de cette nouvelle estimée de la géométrie du réseau, fournir une estimation de la position du mobile en appliquant par exemple l'équation Eq 1 .a (étape 90).
Mode Navigation
Supposons déterminée la géométrie du réseau de balises par la procédure de calibration décrite ci-dessus. La position du mobile à un instant donné est obtenue classiquement par trilatération avec les mesures de distances. Les algorithmes de trilatération sont connus de l'homme du métier.
Pour des applications de métrologie, le dispositif de métrologie de l'invention présente l'avantage de permettre la calibration d'un réseau de balises en utilisant uniquement des mesures de distances, ou plus précisément des mesures de temps de vol entre un mobile équipé d'un distance-mètre interrogeant un réseau de balises fixes.
Dans une variante, le mobile est également équipé d'un capteur d'immersion, le dispositif peut utiliser des mesures de distances combinées à des mesures de profondeur d'immersion.
Par un algorithme adéquat, le dispositif estime simultanément la géométrie du réseau de balises fixes (fonction métrologie pour la calibration) et la position du mobile relativement au réseau (fonction navigation). Aucune connaissance à priori sur la position des balises et du mobile n'est nécessaire. Le système estime la position du mobile et la géométrie du réseau en se déplaçant autour et/ou à l'intérieur du champ de balises.
Le dispositif proposé apporte pour la fonction de métrologie des avantages notables par comparaison avec les différents dispositifs antérieurs.
Comparativement à un dispositif LBL, le dispositif de métrologie de l'invention offre une plus grande simplicité et rapidité de mise en œuvre. Premièrement, dans le dispositif de l'invention, les balises acoustiques du réseau peuvent être disposées sans aucune contrainte de visibilité acoustique entre balises. Au contraire, dans un dispositif de type LBL, toutes les balises du réseau doivent être disposées de manière à communiquer entre elles deux à deux pour la calibration. Deuxièmement, le dispositif de l'invention peut fonctionner avec un réseau comportant un nombre moins important de balises déployées. En mode 3D, seulement quatre balises sont nécessaires selon l'invention, au lieu d'au minimum de six balises dans un système LBL en mode 3D. En mode 2D, le dispositif de l'invention requiert le même nombre minimum de trois balises qu'un dispositif LBL à 2D. Le dispositif de l'invention n'est cependant pas limité à un nombre Nb de balises et peut fonctionner avec un réseau de balises comprenant plus de balises que le nombre minimum de balises défini ci-dessus en fonction de la configuration en mode 2D, 2D1 /2, ou 3D.
Le dispositif de l'invention impose ainsi moins de contraintes de position relatives des balises acoustiques tout en offrant la possibilité d'effectuer simultanément la calibration d'un réseau de balises et la navigation d'un mobile.
Comparativement à un système couplé inertiel, le système de métrologie de l'invention offre une plus grande simplicité : le dispositif de l'invention ne requiert pas nécessairement de loch Doppler DVL ou de capteur d'immersion, ou encore de marégraphe, si on déploie quatre balises en mode 3D.
Comparativement aux systèmes USBL et SBL, le système de métrologie de l'invention offre aussi une plus grande simplicité, puisqu'il ne nécessite pas de centrale d'attitude.
Le procédé de l'invention peut avantageusement être implémenté sur des dispositifs acoustiques anciens de type LBL par exemple, en remplacement d'un autre procédé de calibration et/ou de navigation.
Le dispositif et le procédé de l'invention offrent une résolution de l'ordre centimétrique qui est suffisante pour les applications de positionnement de structures immergées équipées de balises et pour la navigation d'un mobile, et permet d'effectuer une calibration en un laps de temps rapide typiquement moins d'une heure. Un dispositif de type LBL offre une résolution meilleure typiquement de l'ordre du millimètre mais en un laps de temps beaucoup plus long de l'ordre de 24 h Ainsi le système permet d'atteindre rapidement une résolution certes moindre que cette d'un dispositif de type LBL mais qui généralement est suffisante pour les applications envisagées.

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau (10) de balises acoustiques sous-marines, le réseau (10) comprenant un nombre entier Nb de balises fixes (1 1 , 12, 13, 14) et délimitant spatialement un champ de balises à deux dimensions ou respectivement à trois dimensions, chacune des balises acoustiques (1 1 , 12, 13, 14) comportant des moyens d'émission et/ou de réception de signaux acoustiques, le procédé de métrologie mettant en œuvre un mobile (20), le mobile (20) comportant des moyens d'interrogation et de réception (21 ) des signaux acoustiques provenant respectivement de chacune des balises (1 1 , 12, 13, 14) du réseau, le procédé de métrologie comprenant les étapes suivantes :
a) acquisition (30) de Nm séries de Nb mesures acoustiques de distance relative entre le mobile (20) et respectivement chacune des Nb balises (1 1 , 12, 13, 14) du réseau (10), avec Nm nombre entier supérieur ou égal à trois et Nb supérieur ou égal à trois pour une calibration à deux dimensions et respectivement Nm nombre entier supérieur ou égal à huit et Nb supérieur ou égal à quatre pour une calibration à trois dimensions ; l'acquisition des séries de mesures acoustiques s'effectuant de manière dynamique pendant un déplacement du mobile (20) à une série de Nm positions successives ;
b) calcul (60) d'une fonction numérique C en fonction d'une part des séries de mesures acoustiques de distance relative et d'autre part de variables représentatives des positions relatives des balises (1 1 , 12, 13, 14) dans le champ de balises à deux dimensions ou respectivement à trois dimensions ;
c) exécution d'un algorithme de minimisation (70) de la fonction numérique C pour en déduire une estimation des valeurs des variables représentatives des positions relatives de chacune des balises (1 1 , 12, 13, 14) du réseau à deux ou respectivement à trois dimensions ;
d) détermination de la géométrie du réseau de balises (80) en fonction des valeurs estimées des variables représentatives des positions relatives des Nb balises du réseau.
Procédé de métrologie selon la revendication 1 , comportant une étape initiale d'estimation d'une valeur approximative des positions relatives de chaque balises (1 1 , 12, 13, 14) dans le champ de balises et d'estimation d'une valeur approximative de la position du mobile (20) par rapport au champ de balises et dans lequel l'étape d'acquisition des séries de mesures acoustiques de distance relative entre le mobile (20) et respectivement chacune des Nb balises (1 1 , 12, 13, 14) du réseau (10) s'effectue pendant un déplacement du mobile autour de la position approximative du champ de balises.
Procédé de métrologie selon la revendication 2, dans lequel le déplacement du mobile (20) pendant l'étape d'acquisition de mesures s'effectue suivant une courbe ou une portion de courbe circulaire, elliptique ou rectangulaire autour de la position approximative du champ de balises.
. Procédé de métrologie selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de détermination de la différence de profondeur d'immersion entre balises (1 1 , 12, 13, 14).
. Procédé de métrologie selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre une mesure de la profondeur d'immersion de chacune des balises (1 1 , 12, 13, 14) et du mobile (20).
. Procédé de métrologie selon la revendication 5, comprenant en outre une étape de compensation des variations de profondeur d'immersion des balises (1 1 , 12, 13, 14) et du mobile (20) en fonction des marées, ladite compensation étant issue de préférence d'un marégraphe ou d'un modèle de prédiction des marées.
. Procédé de métrologie selon l'une des revendications précédentes, ledit procédé de métrologie permettant simultanément la navigation du mobile (20), dans lequel l'étape d'exécution d'un algorithme de minimisation de la fonction numérique C permet d'en déduire une estimation (90) de la position relative du mobile (20) par rapport aux valeurs estimées des variables représentatives des positions relatives des Nb balises du réseau des balises (1 1 , 12, 13, 14).
. Procédé de métrologie selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape (40) de filtrage des données des Nm séries de Nb mesures acoustiques avant l'étape de calcul de la fonction numérique C.
. Procédé de métrologie selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d'interpolation (50) des données des Nm séries de Nb mesures acoustiques issues de l'étape d'acquisition ou respectivement de filtrage, ladite étape d'interpolation étant effectuée avant l'étape de calcul de la fonction numérique C.
0. Dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines, le réseau (10) comprenant un nombre entier Nb de balises fixes (1 1 , 12, 13, 14) et délimitant spatialement un champ de balises, chacune des balises acoustiques (1 1 , 12, 13, 14) comportant des moyens d'émission et/ou de réception de signaux acoustiques, le dispositif de métrologie comprenant un mobile (20), le mobile (20) comportant des moyens d'interrogation et de réception (21 ) des signaux acoustiques provenant respectivement de chacune des balises (1 1 , 12, 13, 14) du réseau,
caractérisé en ce que :
le dispositif de métrologie comporte un calculateur configuré pour :
e) recevoir Nm séries de Nb mesures acoustiques de distance relative entre le mobile et respectivement chaque balise du réseau, avec Nm nombre entier supérieur ou égal à trois et Nb supérieur ou égal à trois pour une calibration à deux dimensions et respectivement Nm nombre entier supérieur ou égal à huit et Nb supérieur ou égal à quatre pour une calibration à trois dimensions ; lesdites séries de mesures acoustiques étant acquises de manière dynamique pendant un déplacement du mobile à une série de Nm positions successives ;
f) calculer une fonction numérique C en fonction d'une part des séries de mesures acoustiques de distance relative et d'autre part de variables représentatives des positions relatives des balises (1 1 , 12, 13, 14) dans le champ de balises à deux dimensions ou respectivement à trois dimensions ;
g) exécuter un algorithme de minimisation de la fonction numérique C pour en déduire une estimation des valeurs des variables représentatives des positions relatives de chacune des balises (1 1 , 12, 13, 14) du réseau à deux ou respectivement à trois dimensions ; et
h) déterminer la géométrie du réseau de balises en fonction des valeurs estimées des variables représentatives des positions relatives des Nb balises du réseau.
1 1 . Dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines selon la revendication 10, dans lequel le calculateur est en outre configuré pour :
i) filtrer numériquement les données desdites Nm séries de Nb mesures acoustiques de distance relative ; et
j) interpoler les données filtrées desdites Nm séries de Nb mesures acoustiques de calculer la fonction numérique C.
12. Dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines selon la revendication 10 ou 1 1 , dans lequel le calculateur est configuré pour estimer simultanément la position relative du mobile et les positions des balises à l'étape de minimisation de la fonction numérique C pour permettre simultanément la calibration de la géométrie du réseau de balises acoustiques sous- marines et la navigation du mobile.
13. Dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines selon l'une des revendications 10 à 12, comprenant en outre un capteur (24) de profondeur d'immersion du mobile (20) et des moyens de mesure de la différence de profondeur d'immersion entre balises (1 1 , 12, 13, 14) ou des moyens de mesure de la profondeur d'immersion de chacune des balises (1 1 , 12, 13, 14).
14. Dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines selon l'une des revendications 10 à 12, comprenant en outre un marégraphe ou des moyens de calcul de l'amplitude des marées adaptés pour compenser les variations de profondeur d'immersion du mobile (20) et des balises (1 1 , 12, 13, 14) en fonction des marées.
EP14738544.7A 2013-06-05 2014-05-28 Procédé et dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines Withdrawn EP3004912A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1355161A FR3006770B1 (fr) 2013-06-05 2013-06-05 Procede et dispositif de metrologie pour la calibration de la geometrie d'un reseau de balises acoustiques sous-marines
PCT/FR2014/051281 WO2014195610A1 (fr) 2013-06-05 2014-05-28 Procédé et dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3004912A1 true EP3004912A1 (fr) 2016-04-13

Family

ID=49667247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP14738544.7A Withdrawn EP3004912A1 (fr) 2013-06-05 2014-05-28 Procédé et dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d'un réseau de balises acoustiques sous-marines

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20160124081A1 (fr)
EP (1) EP3004912A1 (fr)
FR (1) FR3006770B1 (fr)
WO (1) WO2014195610A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111427011A (zh) * 2020-04-20 2020-07-17 中国电子科技集团公司电子科学研究院 海底资产位置标定方法及系统

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6354279B2 (ja) * 2014-04-18 2018-07-11 ダイキン工業株式会社 空気調和装置
CN105301556B (zh) * 2015-11-30 2017-11-03 江苏中海达海洋信息技术有限公司 超短基线安装误差校准装置的校准方法
US10211660B2 (en) 2016-02-08 2019-02-19 Cree, Inc. LED lighting device with adaptive profiles for controlling power consumption
US10671826B2 (en) * 2016-02-08 2020-06-02 Ideal Industries Lighting Llc Indoor location services using a distributed lighting network
US10465869B2 (en) 2017-01-30 2019-11-05 Ideal Industries Lighting Llc Skylight fixture
US10451229B2 (en) 2017-01-30 2019-10-22 Ideal Industries Lighting Llc Skylight fixture
FR3063548B1 (fr) * 2017-03-03 2019-04-12 Saipem S.A. Procede de metrologie combinee pour le calcul de la distance, des attitudes en roulis et tangage et des orientations relatives entre deux points d'interet sous-marins
US9894740B1 (en) 2017-06-13 2018-02-13 Cree, Inc. Intelligent lighting module for a lighting fixture
CN109765594B (zh) * 2017-11-09 2023-04-07 中国科学院沈阳自动化研究所 一种深海潜水器导航后处理方法
US20200333429A1 (en) * 2017-12-29 2020-10-22 Ubicquia Iq Llc Sonic pole position triangulation in a lighting system
US10830400B2 (en) 2018-02-08 2020-11-10 Ideal Industries Lighting Llc Environmental simulation for indoor spaces
US10991215B2 (en) 2018-03-20 2021-04-27 Ideal Industries Lighting Llc Intelligent signage
CN109490927B (zh) * 2018-12-26 2024-04-09 天津水运工程勘察设计院 一种水下整平架定位系统及其定位方法
CN110109046A (zh) * 2019-04-22 2019-08-09 天津大学 一种水声信标的示位方法及装置
CN110207694A (zh) * 2019-05-27 2019-09-06 哈尔滨工程大学 一种基于相对位置信息的极区格网惯导/超短基线组合导航方法
CN110207698B (zh) * 2019-05-27 2022-08-02 哈尔滨工程大学 一种极区格网惯导/超短基线紧组合导航方法
EP4052543A1 (fr) 2019-10-28 2022-09-07 Ideal Industries Lighting Llc Systèmes et procédés de fourniture d'éclairage dynamique
CN112525218B (zh) * 2020-11-23 2023-01-03 哈尔滨工程大学 一种ins/dvl组合导航系统鲁棒智能协同校准方法
CN112540340B (zh) * 2020-11-26 2024-04-30 博雅工道（北京）机器人科技有限公司 精度误差补偿方法和基于该方法的自校准声信标定位设备
CN112836889A (zh) * 2021-02-19 2021-05-25 鹏城实验室 路径优化方法、水下航行器以及计算机可读存储介质
US20230176176A1 (en) * 2021-12-01 2023-06-08 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Underwater acoustic ranging and localization

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3860900A (en) * 1973-02-21 1975-01-14 Western Electric Co Method of monitoring the position of towed underwater apparatus
US4097837A (en) * 1976-03-29 1978-06-27 Cyr Reginald J Underwater transponder calibration arrangement
US4229809A (en) * 1979-01-29 1980-10-21 Sperry Corporation Acoustic under sea position measurement system
US5517463A (en) * 1994-10-21 1996-05-14 Exxon Production Research Company Method of determining optimal seismic multistreamer spacing

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *
See also references of WO2014195610A1 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111427011A (zh) * 2020-04-20 2020-07-17 中国电子科技集团公司电子科学研究院 海底资产位置标定方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
US20160124081A1 (en) 2016-05-05
FR3006770A1 (fr) 2014-12-12
FR3006770B1 (fr) 2016-12-09
WO2014195610A1 (fr) 2014-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2014195610A1 (fr) Procédé et dispositif de métrologie pour la calibration de la géométrie d&#39;un réseau de balises acoustiques sous-marines
EP2279430B1 (fr) Systeme de positionnement acoustique sous-marin
US9372255B2 (en) Determining a position of a submersible vehicle within a body of water
EP3384362B1 (fr) Système de navigation pour véhicule autonome basé sur l&#39;intercorrelation d&#39;images cohérentes
US20090287414A1 (en) System and process for the precise positioning of subsea units
EP2515140B1 (fr) Procédé de positionnement acoustique global d&#39;une cible marine ou sous-marine
WO2013034859A1 (fr) Systeme et procede acoustique de positionnement
FR2888643A1 (fr) Procede et dispositif pour determiner la position au sol d&#39;un mobile, particulier d&#39;un avion sur un aeroport
WO2017212182A1 (fr) Dispositif et procédé de positionnement d&#39;un dispositif sous-marin
EP1782098B1 (fr) Procede de calibration angulaire d&#39;une antenne par mesure de la distance relative
Stanway Water profile navigation with an acoustic Doppler current profiler
EP1828802B1 (fr) Dispositif de determination autonome des coordonnees geographiques absolues d&#39;un mobile evoluant en immersion
FR3043788A1 (fr) Systeme bathymetrique et methode de bathymetrie corriges des erreurs en altitude
CA2901647C (fr) Procede et dispositif sonar de determination de la vitesse de deplacement d&#39;un vehicle naval par rapport au fond marin
CA3111370A1 (fr) Procede de determination d&#39;une profondeur, ou d&#39;un profil bathymetrique, sur la base d&#39;un profil de celerite moyenne du son, procede de determination d&#39;un tel profil de celerite, et systeme sonar associe
CN112924999B (zh) 一种无人机的定位方法、系统、装置及介质
KR20230048324A (ko) 확장된 데드 레커닝 정확성
EP3887847A1 (fr) Système et procédé permettant de localiser un véhicule sous-marin sans pilote
Watanabe et al. Conceptual design of navigation of an AUV for Monitoring CCS site at deep sea bottom
Jung et al. Error correction of the underwater inertial navigation system using movable surface acoustic reference stations
FR3022033A1 (fr) Pistage de bien a l&#39;estime.
Blondel et al. Sidescan sonar data processing
FR3022034A1 (fr) Procede de determination de distance base sur des chirps et pistages de bien a l&#39;estime et classique.

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20151204

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
TPAC Observations by third parties

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNTIPA

17Q First examination report despatched

Effective date: 20170303

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20170714