Positionnement d'une balise sous-marine en environnement peu profond

Implementation of a compact and simple underwater localization system in low-depth environments

• Auteur / Autrice : Florian Beaubois
• Direction : Jean-Charles Noyer, Serge Reboul
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie informatique, Automatique et Traitement du signal
• Date : Soutenance le 13/12/2016
• Etablissement(s) : Littoral
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire d'informatique, signal et image de la Côte d'Opale (Calais, Pas de Calais)
• Partenaire(s) de recherche : : Chambre de commerce et d'industrie Côte d'Opale - Pôle métropolitain de la Côte d'Opale
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique Signal et Image de la Côte d'Opale / LISIC
• Jury : Président / Présidente : Yassine Ruichek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yassine Ruichek, Nel Samama, Thierry Chonavel, André Monin, Jean-Bernard Choquel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nel Samama, Thierry Chonavel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique sous-marine

Systèmes de communication sans fil

Balises (signalisation maritime)

Services basés sur la localisation

Traitement du signal

Mots clés libres

Positionnement hyperbolique

Localisation sous-marine

Signal à étalement de spectre

Différence de temps d'arrivée

Traitement du signal

Boucle de poursuite

Hyperbolic positioning

Underwater localization

Spread spectrum signal

Time difference of arrival

Signal processing

Tracking

Résumé

Le but de cette thèse est l'étude et la mise en oeuvre d'un système de localisation sous-marine compact et simple à mettre en place pour une utilisation en zones portuaires, côtières et environnements peu profonds. Nous proposons un système SBL (Small Distance Baseline) avec un nombre réduit de transducteurs (une balise d'émission et deux hydrophones). La configuration géométrique du système étant contraignante (hydrophones proches) la précision du positionnement obtenue par les méthodes classiques est faible. Nous proposons une nouvelle méthode de localisation améliorant la précision. La balise à localiser émet un signal à étalement de spectre. La différence de distance entre les trajets des signaux des hydrophones est mesurée par corrélation. Nous proposons deux boucles de poursuites pour l'estimation conjointe de la fréquence Doppler et du délai entre les signaux reçus. Ces techniques de poursuite basées sur un filtre de Kalman sont implémentées en boucle fermée et ouverte. Les observations TDOA (Time Difference Of Arrival) conduisent à utiliser une technique de localisation hyperbolique. Nous proposons une représentation statistique qui exploite la géométrie de notre système de mesure pour déterminer une zone de localisation probable autour de chaque hyperbole. En utilisant des positions de bateau successives, on construit une densité de probabilité dont le maximum définit la position de la balise. On montre sur données synthétiquesque pour un bruit de mesure réaliste, il est possible de déterminer la position de la balise avec une précision submétrique. Les expérimentations réelles confirment la faisabilité du système et la précision obtenue est dans ce cas métrique.

The purpose of that thesis work is the research and implementation of a compact and simple underwater localization system that aim to be used in ports, coastal areas and other low-depth environments. Our system is SBL (Small Distance Baseline), with a small number of transceivers (only one emitter and two hydrophones). Due to the system's geometric configuration not being optimal (both hydrophones are close to one another), the precision obtained using classical approaches is poor. We therefore propose a new localization approach that will improve it. The emitter we wish to localize emit a spread spectrum signal. The time difference of arrival (TDOA) between the two hydrophones is then determined using correlations methods. We propose in our work two tracking loops that will estimate both the delay and the doppler frequency between the signals. Using a Kalman filter , those methods are implemented respectively in open and close loop. From each TDOA measurement, we can calculatea hyperbolic area of possible emitter location. We thus use a statistical model which takes into account the local geometry of our measurements system in order to create a probable localization area around each hyperbole. By using the measurements at several different boat positions, we create a probability density whose maximum will be centered around the emitter's position. We show that, on simulated data, it is possible to localize the beacon with a precision beneath a meter with a realistic noise level. Experimental work and real data collection confirm that the method can in that context achieve the same result with a precision of a few meters.