FR2981149A1 - Aeronef comprenant un senseur optique diurne et nocturne, et procede de mesure d'attitude associe - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un aéronef (1) comprenant un dispositif (2) de mesure d'attitude, caractérisé en ce que ledit dispositif (2) comprend : un senseur (3) optique, dont une surface (5) de détection présente un nombre (N ) de pixels (6) supérieur à 10 mégapixels, et dont le champ de vue est défini par au moins un angle de champ de vue supérieur à 10 degrés, ledit senseur (3) étant adapté pour la prise d'images d'étoiles (7), ledit dispositif (2) de mesure d'attitude étant adapté pour mesurer l'attitude de l'aéronef (1), de jour comme de nuit, à partir des images prises par le senseur (3) optique.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne un aéronef comprenant un dispositif de mesure d'attitude.

ETAT DE L'ART De nombreux aéronefs, comme par exemple des satellites ou des ballons d'observation, nécessitent un dispositif de mesure d'attitude. La mesure de l'attitude répond principalement à deux besoins. Premièrement, il existe un besoin en pointage des aéronefs, la mesure de l'attitude permettant d'asservir l'aéronef en attitude pour réaliser une mission donnée. On entend par mission une attitude requise pour l'aéronef durant une période donnée. Deuxièmement, certaines missions requièrent la restitution a posteriori de l'attitude de l'aéronef au cours de sa mission.

Dans le cas des satellites, le dispositif de mesure d'attitude comprend classiquement un senseur stellaire, permettant de déduire de la prise d'images d'étoiles, l'attitude du satellite, par identification d'étoiles via la comparaison des images avec un catalogue d'étoiles connues. Toutefois, certains aéronefs évoluent à une altitude à laquelle l'observation des étoiles est difficile, en particulier de jour. Par exemple, les ballons d'observation évoluent en général dans la stratosphère, c'est-à-dire entre environ 20km et 45 km. A cette altitude, une prise d'images d'étoiles du ciel est difficile, en raison d'un bruit de fond dans les images, et résultant de la lumière émise par le soleil, puis diffusée par les particules de la stratosphère ou de l'atmosphère. Or, dans de nombreuses missions, il est nécessaire de connaître précisément l'attitude de l'aéronef de jour comme de nuit. En effet, un certain nombre d'aéronefs doivent assurer une mission aussi bien de jour que de nuit.

Dans l'état de la technique, des solutions de mesure d'attitude adaptées à la mesure de jour ont été proposées.

Certains aéronefs embarquent un senseur solaire, qui pointe vers le soleil, en complément d'un senseur stellaire. Le senseur stellaire permet d'obtenir l'attitude de l'aéronef de nuit, et le senseur solaire permet d'obtenir l'attitude de l'aéronef de jour.

Cette solution présente de nombreux inconvénients. Le nombre de senseurs embarqués à bord de l'aéronef est augmenté, ce qui accroît le poids, le coût de l'ensemble et la complexité du système. En outre, la transition entre les mesures du senseur solaire et les 10 mesures du senseur stellaire est difficile à maîtriser, et nécessite une chaîne de traitement complexe. Une autre solution consiste à utiliser un senseur optique présentant un faible champ de vue, présentant un angle de champ de vue de l'ordre de quelques degrés, typiquement inférieur ou égal à 2 degrés. Le senseur est 15 configuré pour la prise d'images de portions étroites du ciel, afin d'identifier des étoiles connues, présentes dans le catalogue d'étoiles du senseur. A cet effet, le senseur est monté sur une tourelle permettant de modifier l'orientation dudit senseur, afin de le faire pointer vers des étoiles connues et programmées à l'avance en fonction de la mission. 20 Le fait d'identifier des portions étroites du ciel permet de réduire le signal de fond de ciel, et donc de réduire le bruit de fond du ciel présent dans les images, et ainsi de permettre un fonctionnement de jour, où le signal émis par les étoiles est perturbé par ledit bruit de fond. Toutefois, cette solution présente des inconvénients. D'une part, la 25 précision de la mesure de l'attitude n'est pas optimale, en raison des erreurs de connaissance de la position angulaire de la tourelle. De plus, la performance des mesures autour de l'axe de visée est très dégradée en raison du faible champ de vue. D'autre part, le senseur présente une autonomie réduite, puisque 30 celui-ci doit être asservi en position de manière permanente, pour pointer vers les étoiles désirées du ciel. Enfin, l'asservissement en position du senseur accroît la complexité de l'ensemble.

PRESENTATION DE L'INVENTION Dans un mode de réalisation, il est décrit un aéronef comprenant un dispositif de mesure d'attitude, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un senseur optique, dont une surface de détection présente un nombre de pixels supérieur à 10 mégapixels, et dont le champ de vue est défini par au moins un angle de champ de vue supérieur à 10 degrés, ledit senseur étant adapté pour la prise d'images d'étoiles, ledit dispositif de mesure d'attitude étant adapté pour mesurer l'attitude de l'aéronef, de jour comme de nuit, à partir des images prises par le senseur optique. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure d'attitude mesure l'attitude par hybridation entre les mesures d'un gyroscope embarqué à bord de l'aéronef et les mesures du senseur optique, notamment via un filtre de Kalman. Ce filtre de Kalman est dans un mode de réalisation configuré pour estimer au moins l'un des états suivants : attitude de l'aéronef, dérive du gyroscope, facteur d'échelle du gyroscope, défauts d'alignements du gyroscope, focale du senseur optique. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure d'attitude comprend en outre un déflecteur, adapté pour permettre la prise d'images 20 d'étoiles par le senseur optique lorsque l'angle entre l'axe de visée du senseur optique et la direction du soleil est supérieur à 18 degrés. Dans un mode de réalisation, le dispositif de mesure d'attitude comprend un module optique actif de focalisation, adapté pour concentrer des rayons lumineux captés par le senseur optique vers certains pixels de 25 la surface de détection. Dans un mode de réalisation, au moins l'un des paramètres parmi le nombre de pixels de la surface de détection, l'altitude de vol de l'aéronef, et le champ de vue du senseur optique, est calibré pour disposer en permanence d'au moins trois étoiles dans les images prises par le senseur 30 optique.

La solution décrite permet d'obtenir un dispositif de mesure d'attitude permettant la mesure d'attitude de l'aéronef de jour comme de nuit. En outre le dispositif de mesure d'attitude est autonome, apte à reconnaître automatiquement des étoiles, sans nécessiter un étage 5 supplémentaire d'asservissement en attitude, comme une tourelle par exemple. La solution comprend un dispositif de mesure d'attitude qui fonctionne même à basse altitude, ce qui inclut la stratosphère. La solution comprend également un dispositif de mesure d'attitude 10 qui se base sur plusieurs étoiles, et qui fonctionne lorsque l'attitude de l'aéronef est statique et dynamique. En outre, ce dispositif de mesure d'attitude est simple, peu coûteux, et s'adapte à différents types d'aéronefs. Enfin, la solution décrite nécessite un catalogue d'étoiles moins 15 volumineux que certains dispositifs de mesure d'attitude de l'art antérieur présentant un champ de vue plus large. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention 20 ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la Figure 1 est une représentation schématique d'un aéronef comprenant un dispositif de mesure d'attitude, selon un mode de réalisation; 25 la Figure 2A et la Figure 2B sont des représentations schématiques du champ de vue d'un senseur ; la Figure 3 est un mode de réalisation d'un procédé de mesure d'attitude ; la Figure 4 est une représentation schématique d'aéronefs 30 évoluant à différentes altitudes, et comprenant chacun un dispositif de mesure d'attitude.

DESCRIPTION DETAILLEE On a représenté en Figure 1 un aéronef 1 comprenant un dispositif 2 de mesure d'attitude. On rappelle que l'attitude correspond à la direction des axes de 5 l'aéronef par rapport à un trièdre de référence. Le dispositif 2 de mesure d'attitude peut être embarqué à bord de divers types d'aéronef, et notamment, mais non limitativement, des ballons d'observation, des satellites, des avions, des drones, etc. Le dispositif 2 de mesure d'attitude comprend un senseur 3 optique, 10 dont une surface 5 de détection présente un nombre Nox de pixels 6 supérieur à 10 mégapixels (10 millions de pixels). Ce senseur 3 optique est apte à prendre des images d'étoiles 7 présentes dans le ciel. Ainsi, la surface 5 de détection du senseur 3 optique comprend une 15 pluralité d'éléments de détection distincts, généralement répartis selon une disposition matricielle, par exemple rectangulaire ou carrée (cf. Figure 1). Chacun de ces éléments de détection est dénommé pixel. En général, chaque élément de détection convertit la lumière reçue en signal électrique, ce qui permet au final de créer une image. Le nombre de pixels 20 de l'image correspond au nombre de pixels de la surface 5 de détection. A titre d'exemple, un senseur optique présentant une surface de détection d'environ 10 mégapixels peut présenter des éléments de détection répartis selon la disposition suivante : nombre d'éléments de détection en longueur : 3872, et 25 nombre d'éléments de détection en largeur : 2592. Cette disposition est illustrative et non limitative. Le nombre de pixels maximum de la surface 5 de détection dépend des senseurs disponibles sur le marché. Le nombre de pixels maximum augmente avec le perfectionnement des technologies d'imagerie. 30 Outre la surface de détection, le senseur 3 optique comprend différents éléments classiques d'un appareil de prise de vue: objectif, lentille de focalisation, etc.

La surface 5 de détection permet de convertir la lumière reçue en signal électrique, ce qui donne une image du ciel, comprenant des étoiles du ciel. Il s'agit par exemple d'une surface de détection de type CCD. 5 D'autres technologies de surface de détection, comme des capteurs CMOS, ou APS, peuvent être utilisées. En outre, le senseur 3 optique présente un champ de vue défini par au moins un angle de champ de vue, cet angle de champ de vue étant supérieur à 10 degrés. Le champ de vue (en anglais, « Field Of View » ou 10 « FOV ») permet de définir la « surface » couverte par une image prise par le senseur 3 optique. Le champ de vue est en général défini angulairement, par au moins un angle de champ de vue qui correspond à l'angle maximum (dans l'espace) sur lequel les objets observés peuvent être imagés par le senseur 3 optique. Il s'agit dans le cas du senseur 3 optique d'objets situés 15 à l'infini, comme des étoiles. Dans le cas où le champ de vue est symétrique, le champ de vue est défini par un seul angle de champ de vue, qui est le même dans le plan horizontal et dans le plan vertical. Il s'agit ici des plans horizontaux et verticaux par rapport à un axe de visée du senseur optique. Le champ de 20 vue est par exemple un champ de vue carré ou circulaire. La Figure 2A illustre un champ de vue carré, qui est défini par un seul angle de champ de vue a. Si le champ de vue est asymétrique (comme cela est par exemple le cas pour des senseurs optiques d'appareils photo ou de caméras), le 25 champ de vue est défini par deux angles de champ de vue, qui sont différents dans le plan horizontal et dans le plan vertical. Il s'agit des plans horizontaux et verticaux par rapport à un axe de visée du senseur optique. Dans le plan horizontal, un angle de champ de vue ai est défini, tandis que dans le plan vertical, un angle de champ de vue a2 est défini, 30 avec al a2. Comme explicité par la suite, ces deux angles sont toutefois assez proches dans les senseurs optiques disponibles sur le marché.

Un champ de vue asymétrique classiquement utilisé est un champ de vue rectangulaire, comme illustré en Figure 2B. Dans un mode de réalisation, le champ de vue du senseur optique est défini par deux angles de champ de vue, chacun des angles étant 5 supérieur à 10°. Le rapport entre les deux angles de champ de vue se déduit directement du rapport entre la longueur de la surface 5 de détection du senseur optique et la largeur de cette surface 5 de détection. Dans les senseurs optiques classiquement utilisés, ces deux angles 10 de champ de vue sont assez proches. Le rapport entre la longueur et la largeur de la surface de détection de certains senseurs optiques est par exemple, mais non limitativement, de 4/3, ou de 16/9. En général, le dispositif 2 de mesure d'attitude comprend une mémoire 22, dans laquelle est stocké un fichier comprenant un catalogue 15 23 d'étoiles connues. Ce catalogue 23 comprend une liste d'étoiles connues, et des données sur chacune de ces étoiles. Ces données incluent notamment, mais non limitativement, la direction des étoiles (position sur la sphère céleste), et leur magnitude. Le dispositif 2 de mesure d'attitude est adapté pour mesurer l'attitude 20 de l'aéronef 1, de jour comme de nuit, à partir des images prises par le senseur 3 optique. A cet effet, le dispositif 2 de mesure d'attitude comprend une chaîne de traitement 15. La chaîne de traitement 15 reçoit les images prises par le senseur 3 25 optique, ces images étant prises de jour comme de nuit. Un traitement d'image est alors effectué pour identifier les étoiles présentes dans les images. A cet effet, la chaîne de traitement 15 compare les images prises par le senseur 3 optique avec le catalogue d'étoiles connues, stocké dans la mémoire 22. 30 Ceci permet de reconnaître dans les images des étoiles connues. La chaîne de traitement 15 en déduit alors l'attitude du satellite, connaissant la position des étoiles qu'elle a reconnues dans les images prises par le senseur 7 optique. Ce traitement est classiquement utilisé dans la grande majorité des senseurs stellaires connus de l'état de la technique. La reconnaissance des étoiles passe en général par la comparaison ou la corrélation des distances angulaires inter-étoiles mesurées avec les distances angulaires inter-étoiles connues du catalogue d'étoiles. Ceci permet d'identifier des motifs d'étoiles, et donc, des étoiles de l'image, dont la position est connue. Cette information d'identification est utilisée par un filtre de la chaîne 15 de traitement, comme un filtre de Kalman configuré pour prédire l'attitude 10 de l'aéronef. Le filtre recale alors l'attitude prédite avec cette information, ce qui permet d'obtenir l'attitude recherchée. La chaîne de traitement 15 comprend un ou plusieurs processeurs, et un ou plusieurs programmes pour l'exécution des étapes de calcul d'attitude par traitement d'image qui ont été décrites. 15 Alternativement, ou en complément, le calcul d'attitude est réalisé au sol par une station de traitement, qui reçoit les images prises par le senseur 3 optique. On a représenté en Figure 3 un procédé de mesure d'attitude dans un aéronef 1 comprenant un dispositif 2 de mesure d'attitude tel que décrit 20 précédemment. Comme décrit précédemment, les dimensions du senseur 3 optique sont choisies pour présenter un grand champ de vue, qui présente au moins un angle de champ de vue supérieur à 10 degrés, et une surface de détection présentant un nombre élevé de pixels, supérieur à 10 mégapixels. 25 Lors d'une mesure d'attitude de jour, la lumière arrivant au senseur 3 optique se compose de la lumière émise par les étoiles (signal utile), et d'un bruit de fond, résultant de la diffusion par l'atmosphère de la lumière reçue en provenance du ciel, mais qui n'est pas émise par les étoiles. Cette diffusion dépend de l'altitude de l'aéronef, puisque la pression, et donc la 30 quantité de particules susceptibles de diffuser la lumière, dépendent de l'altitude.

En choisissant un nombre de pixels élevé pour la surface de détection, le bruit de fond est réduit sur chaque pixel, puisque celui-ci est réparti sur un nombre de pixels élevé. Par conséquent, le bruit perçu au niveau de chaque pixel est réduit.

Le fait de choisir un champ de vue élevé permet d'augmenter statistiquement le nombre d'étoiles présentes dans l'image pour un niveau de magnitude donné. Ceci permet au dispositif 2 de mesure d'attitude d'identifier automatiquement des étoiles de l'image, pour en déduire l'attitude de l'aéronef, sans avoir à être asservi pour pointer vers des étoiles prédéterminées. Le dispositif 2 de mesure d'attitude est donc autonome et ne nécessite pas d'asservissement en pointage. En outre, l'augmentation du champ de vue permet de réduire la taille du catalogue 23 d'étoiles connues, embarqué à bord de l'aéronef. En effet, 15 la magnitude étoile limite permettant d'obtenir statistiquement un nombre donné d'étoiles diminue à mesure que le champ de vue augmente. Ainsi, le fait de disposer d'un grand champ de vue permet d'identifier des étoiles avec des magnitudes plus faibles, puisque, statistiquement, il y aura toujours de telles étoiles dans le cas où l'on dispose d'un grand champ de 20 vue. L'augmentation du champ de vue permet également de simplifier les algorithmes de traitement d'image servant à reconnaître les étoiles dans les images prises par le senseur 3 optique, puisque la base de données dans laquelle la chaîne 15 de traitement cherche à reconnaitre les étoiles diminue 25 en volume. Toutefois, l'augmentation du champ de vue, implique, considérée à elle seule, une augmentation du bruit de fond dans les images, puisque la quantité de lumière reçue augmente. Par conséquent, les senseurs optiques de l'art antérieur, embarqués à bord d'aéronefs, ont un champ de 30 vue le plus faible possible, le plus souvent présentant un angle de champ de vue inférieur à 2 degrés. 2 9 8 1 14 9 10 Le nombre élevé de pixels permet cependant de contrer cette augmentation du bruit de fond, et de concilier à la fois un champ de vue élevé avec un bruit de fond réduit. En effet, l'augmentation du nombre de pixels a tendance à réduire le bruit de fond perçu par chaque pixel. 5 Ainsi, la prise d'images d'étoiles devient possible même de jour, alors même que les étoiles sont plus difficilement identifiables du fait de l'accroissement du bruit de fond lié à la lumière émise par le ciel, et diffusée par l'atmosphère. Comme explicité auparavant, plus un aéronef vole bas, et plus 10 l'atmosphère est dense, ce qui implique la diffusion accrue de la lumière et donc une augmentation du bruit de fond. Le dispositif 2 de mesure d'attitude permet de mesurer l'attitude de jour comme de nuit, à des altitudes faibles pour l'aéronef, c'est-à-dire dès 24km.

Le dispositif 2 de mesure d'attitude est donc apte à mesurer l'attitude de l'aéronef même de jour, et à fortiori, de nuit. En effet, de nuit, le bruit de fond lié à l'émission de lumière ne provenant pas des étoiles est réduit, ce qui permet d'identifier plus facilement les étoiles, et donc de calculer l'attitude de l'aéronef, selon le 20 traitement précédemment décrit. On entend par jour la durée entre le lever et le coucher du Soleil, qui dépend de la position de l'aéronef. Lorsque l'aéronef est dans l'espace, c'est-à-dire à une altitude supérieure à environ 60km, le jour et la nuit ne sont plus distincts du point de vue de l'application décrite ici. 25 Dans un mode de réalisation, le senseur 3 optique produit des images d'étoiles 7 issues du spectre de lumière visible. On rappelle que le spectre de lumière visible présente une longueur d'onde comprise entre environ 400nm et 800nm. Dans un mode de réalisation, le dispositif 2 de mesure d'attitude 30 comprend un filtre 12 optique, apte à filtrer la lumière de longueur d'onde inférieure à 550nm se dirigeant vers la surface 5 de détection. Ce filtre optique est par exemple disposé au niveau de l'objectif du senseur 3 optique. Alternativement, dans un mode de réalisation, le senseur 3 optique est un senseur optique infrarouge. Dans ce cas, la surface 5 de détection 5 est configurée pour détecter le rayonnement infrarouge émis par les étoiles 7 (longueur d'onde comprise entre environ 780 nm et 1 000 000 nm). L'intérêt d'une telle configuration est de permettre d'augmenter le signal des étoiles perçu par le senseur 3, car les étoiles ont tendance à émettre d'avantage dans le domaine de l'infrarouge. Ainsi, on peut réduire 10 l'altitude de vol de l'aéronef 1 tout en conservant une mesure d'attitude de jour comme de nuit, grâce à l'augmentation du signal utile reçu par le senseur 3. Grâce au dimensionnement du senseur 3 optique, le dispositif 2 de mesure d'attitude est adapté pour une mesure d'attitude en continue, de 15 jour comme de nuit. Le dispositif 2 est apte à mesurer l'attitude de l'aéronef, qu'il soit statique ou mobile en attitude. Dans un mode de réalisation, au moins l'un des paramètres parmi le nombre de pixels No( de la surface 5 de détection, l'altitude de vol de l'aéronef 1, et le champ de vue du senseur 3 optique, est calibré pour 20 disposer en permanence d'au moins trois étoiles dans les images prises par le senseur optique. Une magnitude maximum est définie pour ces étoiles (on rappelle que plus la magnitude est faible, plus l'étoile est lumineuse). A titre d'exemple, il peut s'agir de disposer à tout moment dans le champ de vue 25 du senseur optique de trois étoiles de magnitude inférieure ou égale à 5,5. Par exemple, connaissant l'altitude de vol prévue de l'aéronef, et le champ de vue choisi pour le senseur optique, le nombre de pixels requis est déterminé, pour disposer au minimum de trois étoiles présentes dans les images, avec une magnitude maximum donnée. 30 Ceci permet alors au dispositif de mesure d'attitude de déduire automatiquement l'attitude à partir des images des étoiles, de jour comme de nuit. 2 9 8 1 1 4 9 12 On a illustré en Figure 4 un exemple pratique, non limitatif. L'aéronef 12 est un ballon d'observation volant à une altitude hl d'environ 34 km, et équipé d'un dispositif de mesure d'attitude tel que précédemment décrit. Le senseur optique de cet aéronef 12 présente un champ de vue présentant au moins un angle de champ de vue d'environ 10 degrés. Le nombre de pixels requis, pour pouvoir disposer en permanence d'au moins trois étoiles de magnitude inférieure à 5,5, est d'environ 16 mégapixels. L'aéronef 13 est un ballon d'observation volant à une altitude h2 d'environ 20 km, et équipé d'un dispositif de mesure d'attitude tel que précédemment décrit. Le senseur 3 optique de cet aéronef présente un champ de vue présentant au moins un angle de champ de vue d'environ 10 degrés. Le nombre de pixels requis, pour pouvoir disposer en permanence d'au moins trois étoiles de magnitude inférieure à 5,5, est d'environ 102 mégapixels. Si l'on connaît (par mesure ou calcul), pour une altitude donnée et un champ de vue donné, le nombre de pixels requis, on peut déduire le nombre de pixels requis à une autre altitude via : la loi décrivant l'évolution S du signal de fond du ciel en fonction de l'altitude de vol h de l'aéronef, et le fait que le signal S soit proportionnel au carré du champ de vue, divisé par le carré du nombre de pixels (par ligne ou par colonne). En première approximation, la loi décrivant l'évolution du signal de fond du ciel dans les images en fonction de l'altitude de vol s'écrit S= Aexp( 7h), où S est le signal de fond du ciel, lié à la diffusion de la ,5 lumière non émise par les étoiles, et h est l'altitude de vol de l'aéronef en kilomètres, et A une constante. Cette loi découle de l'évolution connue de la pression atmosphérique en fonction de l'altitude. Ce signal de fond du ciel induit un bruit de fond dans les images 30 produites par le senseur 3 optique. Le bruit de fond de ciel B est en première approximation proportionnel à la racine carré du signal de fond de ciel :B = rAexp(15h). Un exemple de l'utilisation du calibrage relatif du nombre de pixels est le suivant, et est basé sur des valeurs fournies ci-dessus.

On considère un aéronef évoluant à une altitude hl, dont la surface de détection comprend nxi x no pixels pour un champ de vue défini par un angle de champ de vue horizontal axi et un angle de champ de vue vertical ayi. On recherche le nombre de pixels nx2 x ny2 requis pour garder le 10 même ratio signal à bruit, le même nombre d'étoiles présentes dans les images de magnitude inférieure à une magnitude donnée, et le même champ de vue pour cet aéronef évoluant à une altitude h2. 15 S2 Le signal de fond de ciel reçu au niveau d'un pixel évolue en SI 0,-.2 h' +hl\ , où 0, est la taille angulaire d'un pixel, avec BI h être vue comme l'angle de champ de vue de chaque exp (- 912 7.5 ) a. a pi peut nx, n pixel). Si l'on effectue le quotient entre le rapport signal à bruit à l'altitude h1, et le rapport signal à bruit à l'altitude h2, on obtient : -b1=nx'exp -h2 + h1, avec B1 et B2 le bruit dans les images, nx, 15 20 respectivement à l'altitude hl et h2. Les signaux se sont simplifiés dans le quotient, car ils sont identiques à l'altitude h1 et h2. Pour conserver le même ratio signal à bruit à l'altitude h2 qu'à l'altitude hl, il faut donc respecter la condition suivante sur le nombre de pixels : 25 nx2 = nx, exp ( h2 + hl` 15 Avec h1 = 34km, nx1 = 3248, ny2 = 4872, h2 = 20km, on obtient nx2 = 8260, et ny2 = 12389, soit un nombre de pixels de 102 millions environ à l'altitude h2. Il est clair que plus l'aéronef vole bas, plus le nombre de pixels Npix 5 requis est élevé. En effet, plus l'aéronef est proche de la surface de la Terre, plus l'atmosphère est dense, et plus la lumière parasite émise par le ciel est diffusée, ce qui augmente le bruit de fond dans les images. Dans un mode de réalisation, le dispositif 2 de mesure d'attitude comprend en outre un gyroscope 14. Dans ce cas, le dispositif 2 de mesure 10 d'attitude peut réaliser la mesure d'attitude par hybridation entre les mesures d'un gyroscope 14 embarqué à bord de l'aéronef 1 et les mesures du senseur 3 optique. Le gyroscope 14 permet d'améliorer les performances hautes fréquences de la mesure d'attitude. De plus, le gyroscope permet de 15 compenser la mesure d'attitude en cas d'impossibilité temporaire de mesure d'attitude par le dispositif 2 de mesure d'attitude. Le gyroscope 1 n'est pas obligatoire, et une fonction logicielle permettant de propager la dynamique de l'aéronef, associée à un filtre de Kalman qui estime les couples perturbateurs extérieurs exercés sur 20 l'aéronef, peuvent être utilisés. Dans un mode de réalisation, la chaîne de traitement 15 du dispositif 2 de mesure d'attitude comprend un processeur mettant en oeuvre l'hybridation précitée à partir d'un filtre 16 de Kalman. Les entrées (mesures) de ce filtre 16 de Kalman incluent les mesures 25 du gyroscope 14, et les mesures du senseur 3 optique. Le filtre 16 de Kalman est apte à estimer au moins l'un des états suivants : attitude de l'aéronef, dérive du gyroscope, facteur d'échelle du gyroscope, défauts d'alignements du gyroscope, focale du senseur optique. Le facteur d'échelle est une erreur multiplicative effectuée par le gyroscope 30 lors de la mesure (par exemple X% d'erreur sur la mesure de vitesse). D'autres états estimés peuvent être utilisés.

Dans un mode de réalisation, le dispositif 2 de mesure d'attitude comprend en outre un déflecteur 15 (couramment appelé « baffle » par l'homme du métier) adapté pour permettre la prise d'images d'étoiles par le senseur optique lorsque l'angle entre l'axe de visée du senseur 3 optique et la direction du soleil est supérieur à 18 degrés. Le déflecteur est configuré pour dévier les rayons lumineux allant vers le senseur 3 optique. Avantageusement, le dispositif 2 de mesure d'attitude comprend en outre un module 20 optique actif de focalisation, adapté pour concentrer des rayons lumineux captés par le senseur 3 optique vers la surface 5 de détection. Dans un mode de réalisation, le dispositif 2 de mesure d'attitude maintient le niveau de focalisation de sorte que la tache d'une étoile occupe environ une largeur de 3x3 pixels sur la surface 5 de détection. Il s'agit en général d'un moteur contrôlant la bague de réglage de la focale de l'objectif.

Ceci permet de concentrer le signal utile vers quelques pixels de la surface 5 de détection, ce qui permet d'augmenter significativement le rapport signal à bruit sur ces pixels. Le senseur 3 optique est donc à la fois un senseur diurne et nocturne, ce qui permet d'obtenir un dispositif 2 de mesure d'attitude qui 20 fonctionne de jour comme de nuit. Ainsi, le nombre de senseurs est réduit. De plus, le dispositif 2 de mesure d'attitude est autonome, et est apte à reconnaître automatiquement des étoiles, sans nécessiter d'asservissement en position pour viser des étoiles données. Le dispositif permet de mesurer l'attitude même à basse altitude 25 (stratosphère, entre 20 et 40 km), là où les étoiles sont plus difficilement identifiables en raison de la diffusion de la lumière par l'atmosphère. Le dispositif peut aussi bien être utilisé dans l'espace (altitude de vol supérieure à 60 km), qu'à des altitudes faibles (par exemple à des altitudes à partir de 10km, en fonction des senseurs optiques disponibles et du 30 nombre de pixels disponibles). Le dispositif est simple et peu coûteux, et s'adapte à différents types d'aéronefs.

Ainsi, le dispositif de mesure d'attitude peut être embarqué sur différents aéronefs, comme par exemple : ballons d'observation, drones, satellites, avions, etc.5

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Aéronef (1) comprenant un dispositif (2) de mesure d'attitude, caractérisé en ce que ledit dispositif (2) comprend : un senseur (3) optique, dont une surface (5) de détection présente un nombre (Npi) de pixels (6) supérieur à 10 mégapixels, et dont le champ de vue est défini par au moins un angle de champ de vue supérieur à 10 degrés, ledit senseur (3) étant adapté pour la prise d'images d'étoiles (7), ledit dispositif (2) de mesure d'attitude étant adapté pour mesurer l'attitude de l'aéronef (1), de jour comme de nuit, à partir des images prises par le senseur (3) optique.
2. 2. Aéronef selon la revendication 1, dans lequel le dispositif (2) de mesure d'attitude comprend en outre un filtre (12) optique, apte à filtrer la lumière de longueur d'onde inférieure à 550nm se dirigeant vers la surface (5) de détection.
3. 3. Aéronef selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre un gyroscope (14), le dispositif (2) de mesure d'attitude étant configuré pour réaliser la mesure d'attitude par hybridation entre les mesures du gyroscope (14) et les mesures du senseur (3) optique.
4. 4. Aéronef selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le dispositif (2) de mesure d'attitude comprend en outre un déflecteur (15), adapté pour permettre la prise d'images d'étoiles par le senseur optique lorsque l'angle entre l'axe de visée du senseur (3) optique et la direction du soleil est supérieur à 18 degrés.
5. 5. Aéronef selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif (2) de mesure d'attitude comprend un module (20) optique actif de focalisation,adapté pour concentrer des rayons lumineux captés par le senseur (2) optique vers certains pixels de la surface (5) de détection.
6. 6. Aéronef selon l'une des revendications 1 à 5, choisi parmi : un ballon d'observation, ou un avion, ou - un drone
7. 7. Procédé de mesure d'attitude dans un aéronef (1) comprenant un dispositif (2) de mesure d'attitude, caractérisé en ce que ledit dispositif (2) comprend un senseur (3) optique dont une surface (5) de détection présente un nombre (Npix) de pixels (6) supérieur à 10 mégapixels, et dont le champ de vue est défini par au moins un angle de champ de vue supérieur à 10 degrés, ledit procédé comprenant les étapes consistant à : prendre des images d'étoiles (7) par l'intermédiaire du senseur (3) optique, mesurer l'attitude de l'aéronef, de jour comme de nuit, par l'intermédiaire du dispositif (2) de mesure d'attitude, à partir des images prises par le senseur (3) optique.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel au moins l'un des paramètres parmi le nombre de pixels (No) de la surface (5) de détection, l'altitude de vol de l'aéronef (1), et le champ de vue du senseur (3) optique, est calibré pour disposer en permanence d'au moins trois étoiles dans les images prises par le senseur (3) optique.
9. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel le dispositif (2) de mesure d'attitude réalise la mesure d'attitude par hybridation entre 30 les mesures d'un gyroscope (14) embarqué à bord de l'aéronef (1) et les mesures du senseur (3) optique.
10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le dispositif (2) de mesure d'attitude réalise l'hybridation par l'intermédiaire d'au moins un filtre de Kalman, apte à estimer au moins l'un des états suivants : attitude de l'aéronef, dérive du gyroscope, facteur d'échelle du gyroscope, défauts d'alignements du gyroscope, focale du senseur optique.10