Les systèmes USBL sont des solutions de positionnement acoustique qui permettent de déterminer la distance et la direction des véhicules sous-marins, des instruments et des équipements par rapport à un navire de surface. Grâce à un émetteur-récepteur monté à bord d’un navire et à un transpondeur ou répondeur compatible installé sur un ROV ou un AUV, ces systèmes permettent le suivi en temps réel, la correction de la navigation, le géoréférencement des levés, le positionnement dynamique et la récupération d’urgence.
Cette catégorie présente les principaux fournisseurs de systèmes USBL destinés à la navigation, au suivi et au positionnement des ROV et des AUV dans le cadre d’opérations sous-marines.
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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
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Les systèmes à base ultra-courte (USBL) fournissent une référence de position acoustique externe aux véhicules et équipements sous-marins opérant dans des zones où les signaux des systèmes mondiaux de navigation par satellite ne peuvent pas se propager. Une configuration type associe un émetteur-récepteur acoustique monté à bord d’un navire à un transpondeur ou répondeur USBL compatible fixé à l’équipement sous-marin. En mesurant le temps de propagation et l’angle d’arrivée de phase d’une impulsion acoustique renvoyée, le système détermine la distance et la direction précises de la cible par rapport au navire de surface, avant de convertir ces vecteurs relatifs en coordonnées géographiques.
Le déploiement opérationnel dépend fortement de la plate-forme spécifique du véhicule. Dans le cas d’une configuration USBL pour un véhicule télécommandé (ROV), le système assure un suivi USBL continu et en temps réel pour les pilotes et les équipes de levé tout au long des phases de mise à l’eau, d’intervention et de récupération. Pour les plateformes autonomes, les opérateurs utilisent la navigation USBL afin de surveiller la progression de la mission depuis la surface et de corriger périodiquement la dérive accumulée due à la navigation à l’estime des capteurs inertiels embarqués du véhicule.
Système de positionnement acoustique sous-marin USBL « Subsonus » d’Advanced Navigation
La fonction principale d’un dispositif de suivi USBL est de visualiser avec précision l’emplacement exact d’un véhicule sous-marin par rapport au navire de soutien, aux infrastructures du fond marin et aux limites prévues. Un logiciel en surface génère des positions successives qui s’affichent directement sur des cartes de levé numériques ou des couloirs de mission prédéfinis. Depuis la cabine de pilotage d’un ROV, ces données en temps réel permettent au pilote de s’approcher en toute sécurité des structures, de surveiller l’allongement du câble d’amarrage et de conserver une pleine conscience spatiale, même dans des conditions de visibilité nulle.
Un véhicule sous-marin autonome (AUV) immergé ne pouvant pas accéder au GNSS, il doit calculer sa position par estimation de position à l’aide d’un système de navigation inertielle interne, assisté par un log de vitesse Doppler (DVL). Bien que ces capteurs embarqués fournissent des mises à jour à haut débit, de légers écarts s’accumulent inévitablement au fil du temps et entraînent une dérive de la position calculée. Un système de positionnement USBL haute performance fournit la référence géographique absolue nécessaire pour limiter cette erreur cumulative en fusionnant les mesures acoustiques brutes directement dans le filtre de navigation du véhicule.
Les levés hydrographiques et géophysiques de haute précision exigent que toutes les observations des capteurs soient rattachées à des coordonnées géographiques définitives. Une configuration USBL spécialisée pour les levés y parvient en géoréférençant les capteurs de la charge utile, tels que les sonars multifaisceaux ou les profileurs de sous-fond, montés sur le véhicule. Le logiciel associe les données de position acoustiques à l’assiette exacte du véhicule et aux décalages physiques des capteurs à l’aide d’une synchronisation temporelle précise, afin d’éliminer les erreurs spatiales pendant le déplacement.
Un système de positionnement acoustique USBL robuste peut également servir de référence de position acoustique essentielle pour le système de positionnement dynamique d’un navire. Dans ce mode de fonctionnement, un ou plusieurs transpondeurs sont ancrés à des emplacements connus et stables sur le fond marin, ce qui permet à l’émetteur-récepteur du navire de calculer la distance relative et l’angle par rapport à ces points fixes. Cette solution de secours acoustique est essentielle pour l’automatisation et le maintien de la position lorsque les signaux GNSS sont obstrués par des structures offshore.
Si un engin sous-marin subit une perte critique de son alimentation principale, de sa propulsion ou de ses communications principales, le système USBL endosse alors un rôle vital de récupération. L’équipement du véhicule d’un transpondeur doté d’une batterie de secours indépendante garantit que le navire de surface peut continuer à suivre le dispositif même après un arrêt complet de celui-ci. Ces données de suivi permettent de réduire le rayon de recherche en surface, en indiquant si le véhicule flotte, dérive ou repose sur les fonds marins.
Ranger 2 USBL pour AUV et ROV de Sonardyne
L’émetteur-récepteur acoustique monté sur le navire constitue l’élément matériel central du système de surface ; il est chargé de générer les impulsions d’interrogation et de traiter les réponses sous-marines. Il détermine la distance à la cible en mesurant le temps de propagation acoustique, tout en calculant la direction d’arrivée grâce au traitement des différences de phase infimes du front d’onde entrant au niveau de ses éléments récepteurs intégrés. Pour garantir des performances fiables, la face de l’émetteur-récepteur doit être installée bien en dessous de la surface de l’eau aérée et du sillage de l’hélice.
Un réseau de transducteurs USBL regroupe plusieurs éléments acoustiques étroitement espacés au sein d’une seule tête compacte. Le terme « ultra-court » fait explicitement référence à l’espacement très réduit, de l’ordre du centimètre, entre ces éléments internes, ce qui contraste avec les grandes distances de base des anciennes méthodes acoustiques. Cette architecture compacte évite d’avoir à installer plusieurs hydrophones distincts sur la coque d’un navire, bien que de petites erreurs de mesure de phase s’amplifient avec la distance.
Les cibles sous-marines s’appuient sur un transpondeur USBL pour recevoir des impulsions d’interrogation et renvoyer des réponses acoustiques codées vers la surface. Par ailleurs, une configuration USBL sur ROV peut utiliser un répondeur, qui se déclenche électriquement via le câble ombilical afin d’éliminer le délai d’interrogation acoustique et d’augmenter les fréquences de mise à jour. Pour les AUV, ces instruments sont conçus dans le respect de contraintes strictes en matière de taille, de poids et de consommation d’énergie afin de préserver l’autonomie de la batterie du véhicule.
Un système USBL ne calculant que la position relative, un récepteur GNSS de haute précision est indispensable pour établir les coordonnées géographiques absolues. Le logiciel en surface doit appliquer en continu des mesures précises du bras de levier afin de tenir compte de la distance physique entre l’antenne GNSS et la tête d’émetteur-récepteur immergée. Tout décalage de coordonnées ou décalage non mesuré se traduira directement par des erreurs de positionnement systématiques sur les fonds marins.
Le navire de surface étant soumis à des mouvements constants de tangage et de roulis, une unité de référence de mouvement est nécessaire pour stabiliser les mesures acoustiques. Des données d’attitude à haute fréquence permettent au logiciel de projeter les angles acoustiques bruts dans un référentiel de coordonnées stable, neutralisant ainsi les mouvements du navire. Étant donné que même des erreurs angulaires mineures entraînent une dérive de position significative en profondeur, les systèmes avancés intègrent souvent le capteur de mouvement directement à l’intérieur du boîtier de l’émetteur-récepteur.
La vitesse du son dans l’eau détermine la manière dont le temps de transit est converti en distance physique et définit la façon dont les ondes sonores se réfractent à travers les différentes couches d’eau. Un capteur de vitesse du son local, situé à l’avant de l’émetteur-récepteur, fournit les données nécessaires aux calculs de phase immédiats, tandis que des relâchements réguliers du profileur cartographient la colonne d’eau. Sans données de profil précises et actualisées, la réfraction faussera à la fois la profondeur calculée et la position horizontale.
Pour choisir la technologie de positionnement appropriée, les ingénieurs doivent comparer les performances d’un système de positionnement sous-marin USBL à celles d’autres méthodes acoustiques.
Posidonia, positionnement et suivi USBL, par Exail
Longue base : la méthode LBL utilise un réseau de plusieurs transpondeurs fixés au fond marin pour offrir un positionnement de haute précision, indépendant de la profondeur, mais nécessite un temps de déploiement important.
Alors que les méthodes LBL et de navigation à l’estime excellent dans les tâches localisées ou autonomes, l’USBL reste le choix privilégié pour les opérations rapides centrées sur le navire.
Le choix d’une configuration USBL optimale nécessite de trouver un équilibre entre les environnements opérationnels et les contraintes spécifiques au véhicule.
En définitive, le système idéal doit fournir une qualité de positionnement vérifiée dans le respect de vos limites opérationnelles spécifiques et de vos interfaces de plate-forme.
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