Les systèmes de positionnement sous-marins et les solutions de navigation sous-marine permettent aux ROV et aux AUV d'estimer leur position, leur mouvement et leur orientation lorsque la réception GNSS continue n'est pas disponible. Ces systèmes prennent en charge les missions de levé, d'inspection, d'évitement d'obstacles, d'amarrage, de suivi, de lutte contre les mines et de suivi du relief, tant dans le domaine de la défense que dans les applications commerciales.
Cette page présente les principaux systèmes de navigation et de positionnement sous-marins, qui fournissent des données fiables sur la profondeur, le cap, la vision et le sonar afin de garantir des estimations d’état fiables pendant les opérations sous-marines.
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Solutions de navigation et de positionnement de pointe pour les systèmes sans pilote et robotiques
Solutions de navigation et de positionnement de haute précision pour les véhicules sans pilote et autonomes
Solutions de positionnement et d'orientation de précision pour les applications sans pilote
Robotique et technologies sous-marines pour les applications militaires, commerciales et scientifiques
Solutions avancées d'imagerie et de positionnement sous-marins pour les véhicules marins sans équipage et autonomes
Capteurs de suivi, de navigation, de positionnement et de communication pour AUV, ROV, USV
Systèmes intégrés et charges utiles pour les plateformes de surface et sous-marines sans pilote opérant dans des environnements maritimes complexes
Stations de surveillance météorologique, transducteurs marins, sonars à balayage latéral et altimètres sous-marins
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Les systèmes de navigation et de positionnement sous-marins permettent aux véhicules télécommandés (ROV)et aux véhicules sous-marins autonomes (AUV) de déterminer leur position, leur mouvement et leur orientation. Les plateformes immergées ne pouvant pas recevoir en continu les signaux du Système mondial de navigation par satellite (GNSS) provenant de la surface, leur position doit être estimée à l’aide d’une combinaison de mesures inertentielles, de distances acoustiques, d’observations de vitesse, de profondeur barométrique, de références de cap, d’images sonar et de caractéristiques environnementales.
Aucun capteur ne permet à lui seul de constituer un système complet de positionnement sous-marin dans toutes les conditions d’exploitation. Les systèmes de navigation hautement performants des ROV et des AUV fusionnent ces diverses sources de données en une estimation d’état unifiée, tout en surveillant en permanence chaque entrée afin de détecter les latences, le bruit, les désalignements et les défaillances potentielles.
Système de positionnement sous-marin USBL Subsonus d’Advanced Navigation
Un système de navigation inertielle (INS) estime le mouvement du véhicule à l’aide de gyroscopes et d’accéléromètres afin de calculer l’orientation, la vitesse et la trajectoire à partir d’un point de départ connu. Comme un INS est autonome et fonctionne sans transmissions externes, il assure une navigation sous-marine continue dans des environnements caractérisés par un bruit acoustique important ou une visibilité réduite. Afin d’éviter toute dérive cumulative des capteurs au fil du temps, le système s’appuie sur des mises à jour externes provenant de log-vélocimètres Doppler, de capteurs de profondeur, du positionnement acoustique et de repérages GNSS en surface pour maintenir la précision du système de positionnement du ROV ou l’état de navigation de l’AUV.
Un log de vitesse Doppler (DVL) mesure la vitesse tridimensionnelle du véhicule en émettant des impulsions acoustiques le long de faisceaux inclinés et en traitant le décalage de fréquence des échos renvoyés par les fonds marins. Lorsqu’il fonctionne en mode « bottom-track », le DVL limite directement la dérive due à la navigation à l’estime, ce qui en fait un composant fondamental des systèmes de navigation sous-marine. Une intégration étroite avec un INS limite l’augmentation de l’erreur de vitesse, bien que les performances restent soumises aux variations de la vitesse du son, aux limites d’altitude du véhicule, aux interférences sédimentaires et à la perte de repère par rapport au fond marin.
Un système à base ultra-courte (USBL) détermine la position sous-marine à l’aide d’un réseau compact de transducteurs généralement déployé depuis un navire de surface pour interroger un transpondeur monté sur le véhicule. Le temps de propagation du signal et les différences de phase acoustiques permettent de déterminer la distance, le relèvement et l’élévation de la cible par rapport à la plate-forme de surface. Bien que l’USBL ne nécessite qu’une infrastructure minimale sur les fonds marins pour le positionnement des ROV et la surveillance des AUV, sa précision globale repose sur le GNSS de surface, la compensation des mouvements du navire, des profils précis de vitesse du son et la géométrie de la distance oblique.
Un système à longue base (LBL) calcule la position du véhicule par trilatération géométrique à l’aide d’un réseau de transpondeurs acoustiques étalonnés, ancrés à des emplacements fixes sur les fonds marins. En encerclant le site d’intervention, le système LBL offre un positionnement sous-marin hautement reproductible, indépendant des mouvements du navire de surface ou de la profondeur de l’eau. Les opérations modernes adoptent fréquemment la technique LBL « Sparse », qui associe un nombre réduit de mises à jour de portée des transpondeurs à un INS et un DVL performants afin de maintenir des limites de positionnement strictes avec des coûts de déploiement réduits.
Les balises acoustiques fournissent des repères détectables pour le suivi sous-marin, la navigation et la récupération d’équipements. Les émetteurs autonomes émettent des signaux périodiques pour la localisation d’urgence, tandis que les transpondeurs interrogés répondent à des codes acoustiques spécifiques au sein des réseaux USBL et LBL, et que les dispositifs de réponse se déclenchent via des signaux transmis par câble ombilical. Le choix du matériel nécessite de trouver un équilibre entre la fréquence de fonctionnement, la portée acoustique, le placement du transducteur hors du champ de vision, la compatibilité des protocoles et l’autonomie de la batterie.
Émetteur-récepteur de positionnement LBL, Ramses, d’Exail
Les capteurs de pression hydrostatique fournissent la référence verticale principale d’un système de navigation sous-marine en mesurant la pression du fluide externe et en la convertissant en profondeur à l’aide de modèles locaux de densité de l’eau et de gravité. Des capteurs à quartz résonants ou piézorésistifs de haute précision établissent une contrainte verticale rigide qui stabilise la dérive du canal vertical du système INS. La pression indiquant la profondeur sous la surface plutôt que l’altitude au-dessus du fond marin, les plateformes doivent associer des capteurs de profondeur à des altimètres acoustiques ou à des DVL pour les opérations de suivi du relief.
La précision du cap détermine directement la stabilité de la position transversale dans les systèmes de navigation sous-marine par estimation de position. Les petites plateformes utilisent souvent des magnétomètres triaxiaux, bien que leurs performances soient sensibles aux perturbations magnétiques dues au fer dur et au fer doux provenant des moteurs, des courants des propulseurs et des structures en acier. Pour les applications de qualité topographique et les opérations à proximité d’infrastructures sous-marines, les gyrocompas à fibre optique mesurent la rotation de la Terre afin de fournir une orientation vers le nord géographique exempte de toute interférence magnétique.
Les caméras optiques capturent des détails visuels en haute résolution pour l’inspection à courte distance, la photogrammétrie structurelle, l’amarrage automatisé et les tâches de manipulation. Bien que l’absorption et la diffusion de la lumière sous l’eau limitent la portée optique, les algorithmes d’odométrie visuelle suivent les caractéristiques de l’image d’une image à l’autre afin d’estimer le déplacement relatif du véhicule en eau claire.
La navigation visuo-inertielle combine le suivi des caractéristiques par caméra avec les mesures à haute fréquence des accéléromètres et des gyroscopes. Les capteurs inertiels assurent le suivi de l’état lors de virages rapides ou de pertes de signal visuel, tandis que les observations de la caméra limitent la dérive inertielle, créant ainsi une solution robuste pour l’inspection structurelle à courte distance lorsqu’elle est associée à une modélisation appropriée de la réfraction de la lumière et à une synchronisation précise des capteurs.
Omniscan 450 FS pour le positionnement de ROV par Cerulean Sonar
Le sonar à balayage vers l’avant (FLS) balaye le volume situé devant un véhicule afin de détecter les obstacles, les reliefs, les structures sous-marines et les enchevêtrements situés au-delà de la portée optique. Les unités de balayage mécaniques offrent une résolution angulaire élevée à des débits de données plus faibles, tandis que les réseaux FLS multifaisceaux génèrent des fréquences de rafraîchissement d’image en temps réel, indispensables à la navigation dynamique des ROV et à l’évitement autonome des obstacles par les AUV.
Le sonar d’imagerie génère des représentations acoustiques bidimensionnelles des cibles sous-marines et des structures environnantes en affichant l’intensité du signal de retour. Ces systèmes assistent les pilotes de ROV opérant en eaux troubles lors d’inspections d’actifs, d’approches de structures et du guidage des manipulateurs. Les sonars d’imagerie multifaisceaux offrent des fréquences d’images en temps quasi réel qui permettent aux opérateurs de conserver une bonne connaissance de la situation pendant que le véhicule est en mouvement.
Les échosondeurs multifaisceaux émettent de larges faisceaux acoustiques afin de capturer des nuages de points bathymétriques denses et des données de rétrodiffusion du fond marin. Lorsqu’il est intégré à un AUV ou à un ROV, le sonar multifaisceaux recueille des données bathymétriques haute résolution à proximité du fond marin, à condition que l’appareil soit étroitement couplé à une compensation d’attitude INS précise, à des références de position exactes et à des profils de vitesse du son en temps réel.
Vigilant FLS pour la navigation des ROV, par Forcys
Le sonar de profilage utilise un faisceau acoustique étroit et rotatif pour capturer des profils géométriques transversaux précis des environnements environnants. En combinant des profils successifs avec le mouvement du véhicule, ces capteurs cartographient les canalisations souterraines, les puits inondés, les murs de quai et l’érosion structurelle, offrant ainsi des mesures angulaires précises sans nécessiter la bande passante importante requise par les systèmes multifaisceaux à large couverture.
Le sonar à balayage latéral projette des impulsions acoustiques en forme d’éventail de part et d’autre d’un véhicule, en enregistrant l’intensité des signaux de retour afin de construire des images en vue de dessus du fond marin. Largement déployé sur les AUV pour les levés de tracés de conduites, la lutte contre les mines et les recherches à grande échelle, le sonar à balayage latéral nécessite un suivi fiable de la trajectoire du véhicule et un contrôle de l’altitude afin de garantir un géoréférencement spatial précis.
Le sonar à ouverture synthétique (SAS) combine les échos acoustiques cohérents provenant de multiples positions d’émission à mesure que le véhicule se déplace, synthétisant ainsi un réseau bien plus long que le transducteur physique. Cette technique permet d’obtenir une résolution fine, indépendante de la distance, dans le sens de la trajectoire pour la détection de cibles sur de vastes zones, mais nécessite un suivi de trajectoire ultraprécis assuré par un système INS de haute précision, un DVL et un traitement de micronavigation.
Les échosondeurs à faisceau unique mesurent la distance directe le long d’un trajet acoustique et servent principalement d’altimètres lorsqu’ils sont orientés vers le fond marin. Ces capteurs compacts et de faible puissance fournissent des informations d’altitude essentielles pour le suivi du relief, les procédures d’atterrissage automatisées et la surveillance de la marge de profondeur sur les petits AUV et les ROV d’inspection.
Les profileurs sous-marins émettent une énergie acoustique à basse fréquence qui pénètre les sédiments sous le fond marin pour se répercuter sur les couches géologiques sous-jacentes et les infrastructures enfouies. Le montage de ces profileurs sur des plates-formes sous-marines rapproche le capteur du fond, améliorant ainsi la résolution spatiale pour les études d’enfouissement de câbles, l’inspection de conduites et la cartographie des risques géologiques.
Une navigation efficace repose sur des canaux de communication fiables permettant de transmettre les mises à jour de position, les données de télémétrie et les données de charge utile à travers les domaines sous-marins.
Ces liaisons de communication complémentaires garantissent aux plateformes sous-marines un flux de données continu et des estimations d’état stables à toutes les profondeurs d’opération.
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