FR3118523A1

FR3118523A1 - Procede de determination de position par un systeme optronique dans une scene et systeme optronique associe

Info

Publication number: FR3118523A1
Application number: FR2014216A
Authority: FR
Inventors: Alain Simon; Arnaud Beche; Jean SOULA; Pierre-Yves GUINET; Pascal JEROT
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: FR3118523B1; US20240069211A1; CA3203317A1; EP4272010A1; WO2022144366A1

Abstract

Procédé de détermination de positions par un système optronique dans une scène et système optronique associé La présente invention concerne un procédé de détermination de positions par un système optronique (18) dans une scène (10), la scène (10) comprenant des éléments de référence (12) de coordonnées géographiques connues, le système optronique (18) comprenant les éléments suivants intégrés dans ledit système optronique (18) : un imageur numérique, une mémoire dans laquelle est mémorisé, pour chaque élément de référence (12) de la scène (10), un indicateur représentatif dudit point associé aux coordonnées géographiques dudit point,un élément de visualisation des indicateurs mémorisés dans la mémoire, un module de mesure comprenant au moins un élément choisi parmi : un compas, un goniomètre et un télémètre, une unité de calcul, le procédé étant mis en œuvre par les éléments intégrés dans le système optronique (18). Figure pour l'abrégé : 1

Description

Procédé de détermination de positions par un système optronique dans une scène et système optronique associé

La présente invention concerne un procédé de détermination d’au moins une position par un système optronique dans une scène. La présente invention porte aussi sur un tel système optronique.

Lors de la surveillance d’une scène d’opérations, la détermination de positions, locales ou distantes, permet d’avoir des informations sur des éléments d’intérêt de la scène, et éventuellement d’engager des actions à l’encontre de tels éléments. Ainsi, plus les positions déterminées sont précises, meilleure est la maîtrise de la situation.

Il est notamment connu de déterminer de telles positions en fonction des mesures effectuées par un système optronique sur des éléments de la scène, et de la position du système optronique obtenue par un système de positionnement par satellites (GNSS pour Géolocalisation et Navigation par un Système de Satellites).

Néanmoins, la précision de la position obtenue par le GNSS n’est pas toujours suffisante en fonction des applications. En outre, les signaux GNSS sont susceptibles d’être altérés sans que le récepteur ou l’opérateur ne se rende compte de cette altération, ou encore non disponibles. Les altérations d’un signal GNSS sont, par exemple, dues à un brouillage par des signaux parasites, à un masquage par des infrastructures ou encore aux réflexions multiples du signal GNSS. En outre, les GNSS sont aussi susceptibles d’être leurrés par des tiers.

Il existe donc un besoin pour un système optronique permettant de déterminer des positions de manière plus précise et robuste.

A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de détermination d’au moins une position par un système optronique dans une scène, la scène comprenant des éléments de référence de coordonnées géographiques connues, le système optronique comprenant les éléments suivants intégrés dans ledit système optronique :

- un imageur numérique,

- une mémoire dans laquelle est mémorisé, pour au moins chaque élément de référence de la scène, un indicateur représentatif dudit point associé aux coordonnées géographiques dudit point,

- un élément de visualisation des indicateurs mémorisés dans la mémoire,

- un module de mesure comprenant au moins un élément choisi parmi : un compas, un goniomètre et un télémètre,

- une unité de calcul,

le procédé étant mis en œuvre par les éléments intégrés dans le système optronique et comprenant :

une phase de collecte de données relatives à au moins un élément de référence de la scène, la phase de collecte comprenant, pour chaque élément de référence, les étapes de :
- pointage, par l’imageur numérique, de l’élément de référence dans la scène ,
- acquisition, par le module de mesure, d’au moins une mesure relative à l’élément de référence pointé dans la scène suite à la réception d’une première commande d’acquisition,
- pointage, sur l’élément de visualisation, parmi les indicateurs mémorisés, d’un indicateur représentatif de l’élément de référence pointé dans la scène,
- acquisition, par l’unité de calcul, des coordonnées géographiques associées à l’indicateur pointé suite à la réception d’une deuxième commande d’acquisition,
- mémorisation d’une donnée, dite de référence, comprenant la au moins une mesure acquise et les coordonnées géographiques acquises,
une phase de détermination de la position du système optronique en fonction des données de référence mémorisées pour le au moins un élément de référence.

Selon d’autres aspects avantageux de l’invention, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

- les indicateurs mémorisés dans la mémoire sont des points géo-référencés sur des données géographiques, les données géographiques comprenant au moins un élément parmi : une ortho-image de la scène, un modèle numérique de terrain de la scène, une cartographie de la scène et un modèle numérique d’élévation de la scène, la mémoire comprenant, de préférence, outre les indicateurs des éléments de référence, des indicateurs de tous les points géo-référencés sur les données géographiques ;

- l’étape de pointage d’un indicateur comprend l’affichage sur l’élément de visualisation :

de l’image de la scène comprenant l’élément de référence pointé par l’imageur numérique, et
des indicateurs mémorisés dans la mémoire ;

- la phase de détermination de la position du système optronique comprend la sélection, par l’unité de calcul, d’une technique de détermination de positions parmi un ensemble de techniques de détermination de positions en fonction de la nature du ou des éléments du module de mesure ayant acquis la au moins une mesure correspondant à la donnée de référence, la position du système optronique étant déterminée sur la base de la technique de détermination sélectionnée ;

- chaque élément du module de mesure est associé à une incertitude de mesure et chaque coordonnée géographique est associée à une incertitude sur ladite coordonnée géographique, la phase de détermination de la position du système optronique comprenant la détermination d’une incertitude sur la position déterminée en fonction des incertitudes correspondantes sur le au moins un élément du module de mesure et sur les coordonnées géographiques ;

- la phase de détermination de la position du système optronique comprend le calcul d’une position approchée du système optronique en fonction de données de référence mémorisées et le calcul d’une position optimale du système optronique à partir de la position approchée et de l’ensemble des données de référence ;

- la phase de détermination de la position du système optronique comprend l’évaluation de l’intégrité des données de référence, et la détermination d’une position intègre en fonction des seules données de référence évaluées comme étant intègres, et de la position optimale calculée ;

- le système optronique comprend un récepteur de géolocalisation et navigation par un système de satellites, dit récepteur GNSS, le procédé comprenant une phase de détermination de la position du système optronique par le récepteur GNSS, dite position GNSS, et de validation ou non de la position GNSS en fonction d’une position du système optronique déterminée via les données de référence, avantageusement lorsque la position GNSS a été validée, le procédé comprend la fusion de la position GNSS avec la position du système optronique déterminée via les données de référence utilisée pour la comparaison de sorte à obtenir une position définitive pour le système optronique ;

- le module de mesure comprend un goniomètre odométrique ou un compas odométrique, au moins une mesure acquise relative aux éléments de référence étant une mesure d’orientation, l’étape d’acquisition de mesure comprenant :

l’acquisition d’une série d’images de la scène, la série d’images comprenant au moins une image de l’élément de référence, les images de la série d’images se recouvrant deux à deux, et
la détermination, par le goniomètre odométrique ou le compas odométrique, d’une orientation de l’élément de référence par rapport au système optronique en fonction de la série d’images de la scène acquise ;

- le procédé comprend une phase de détermination de la position d’un objet de la scène en fonction de la position déterminée du système optronique, d’une orientation obtenue de l’objet par rapport au système optronique et d’une distance obtenue entre l’objet et le système optronique ;

- la phase de détermination de la position de l’objet comprend les étapes de :

acquisition d’une série d’images de la scène, la série d’images comprenant au moins une image de l’objet, les images de la série d’images se recouvrant deux à deux, et
détermination de l’orientation de l’objet par rapport au système optronique en fonction de la série d’images de la scène ;

- le module de mesure du système optronique comprend au moins un compas, l’orientation de l’objet étant obtenue par une mesure acquise par le compas lors d’un pointage de l’objet par l’imageur numérique ;

- au moins un élément du module de mesure du système optronique est un télémètre, la distance entre l’objet et le système optronique étant obtenue par une mesure acquise par le télémètre lors d’un pointage de l’objet par l’imageur numérique, ou

la distance entre l’objet et le système optronique est la distance entre la position déterminée du système optronique et l’intersection d’une droite prédéterminée avec le sol d’un modèle numérique de terrain, la droite prédéterminée passant par la position déterminée du système optronique et ayant pour orientation l’orientation obtenue de l’objet par rapport au système optronique ;

- le système optronique est choisi parmi : une paire de jumelles optroniques et une caméra optronique ;

- au moins un élément du module de mesure est un compas magnétique, le procédé comprenant une phase de calibration automatique de la déclinaison, des mesures et du simbleautage du compas magnétique au moyen de mesures acquises pour au moins deux éléments de référence, lors du pointage desdits éléments de référence par l’imageur numérique ;

le module de mesure comprend un télémètre et un goniomètre, la détermination de la position approchée du système optronique comprenant la calibration automatique du gisement du goniomètre de sorte que le goniomètre fonctionne comme un compas, au moyen de mesures acquises avec deux éléments de référence, lors du pointage desdits éléments de référence par l’imageur numérique.
le module de mesure comprend un télémètre et un inclinomètre, la détermination de la position approchée du système optronique étant réalisée au moyen de mesures acquises pour trois éléments de référence, lors du pointage desdits éléments de référence par l’imageur numérique.
le module de mesure comprend un goniomètre, la détermination de la position approchée du système optronique, ainsi qu’une détermination du gisement du goniomètre étant réalisée au moyen de mesures acquises pour trois éléments de référence, lors du pointage desdits éléments de référence par l’imageur numérique.

L’invention concerne, en outre, un système optronique de détermination d’au moins une position par un système optronique dans une scène, la scène comprenant des éléments de référence de coordonnées géographiques connues, le système optronique comprenant les éléments suivants intégrés dans ledit système optronique :

- un imageur numérique,

- un élément de visualisation des indicateurs mémorisés dans la mémoire,

- une unité de calcul,

le système optronique étant configuré pour mettre en œuvre un procédé tel que décrit précédemment.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement, et en référence aux dessins qui sont :

- , une représentation schématique d’une scène comprenant des éléments de référence (amers), ainsi que des objets de coordonnées inconnues, un opérateur muni d’un système optronique est également présent dans la scène,

- , une représentation schématique d’un exemple d’un système optronique comprenant des éléments intégrés dans ledit système,

- , un organigramme d’un exemple de mise en œuvre d’un procédé de détermination de positions dans une scène,

- , une représentation schématique d’un premier exemple de détermination de la position du système optronique,

- , une représentation schématique d’une variante du premier exemple de la ,

- , une représentation schématique d’un deuxième exemple de détermination de la position du système optronique, et

- , une représentation schématique d’un troisième exemple de détermination de la position du système optronique.

Dans la description qui suit, une orientation absolue est caractérisée par des angles exprimés par rapport à une référence géographique. Les plus utilisés sont l’angle d’azimut qui exprime l’orientation dans un plan localement horizontal (tangent à l’ellipsoïde associé au géoïde) par rapport au méridien géographique local et l’angle d’élévation (ou angle d’inclinaison) qui exprime l’orientation dans un plan vertical, par rapport au plan localement horizontal. Un compas permet typiquement de mesurer un azimut. Un inclinomètre permet typiquement de mesurer une élévation.

Une orientation relative est définie par rapport à une autre orientation (c’est-à-dire un écart angulaire entre deux orientations), caractérisée par les angles de gisement dans le plan horizontal et de site dans le plan vertical. Un goniomètre permet typiquement de mesurer un gisement et un site.

Une scène 10 est illustrée à titre d’exemple sur la . Une scène désigne un théâtre d’opérations, c’est-à-dire le lieu où se déroule une action. La scène est donc un espace étendu avec des dimensions suffisantes pour permettre le déroulement d’une action. La scène est typiquement un espace extérieur.

La scène 10 comprend des éléments de référence 12, aussi appelés amers ou structures de référence, ayant des coordonnées géographiques connues. La scène 10 comprend également des éléments ayant des coordonnées inconnues, aussi appelées objets 14.

Pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention, un opérateur 16 muni d’un système optronique 18 se trouve dans la scène 10. Le système optronique 18 est donc lui aussi un objet 14 de la scène 10.

Chaque élément de référence 12 est un objet fixe et remarquable de la scène 10. Les coordonnées (latitude, longitude) de chaque élément de référence 12 sont connues. Optionnellement, l’altitude de chaque élément de référence 12 est aussi connue.

Les éléments de référence 12 sont par exemple des points appartenant aux éléments suivants : une construction (bâtiment, clocher, phare, route, pont, etc.) et un élément naturel (montagne, rocher, sommet d’une colline, végétation, arbre, etc.). Dans l’exemple illustré par la , les éléments de référence 12 sont des constructions.

Chaque autre élément de la scène 10 différent d’un amer est un objet 14 de position inconnue. Dans l’exemple illustré par la , les objets 14 sont des arbres, un véhicule, ainsi que le système optronique 18 lui-même. L’homme du métier comprendra que le terme « objet » est utilisé au sens large, et comprend aussi des individus présents dans la scène.

Le système optronique 18 est, par exemple, un système de type :

jumelles optroniques (à imagerie numérique, dans n’importe quelle bande spectrale) portables, installées sur un trépied ou intégrées à une tourelle ou tenues à la main, ou
une caméra optronique (à imagerie numérique, dans n’importe quelle bande spectrale) installée sur un véhicule ou autre support (mât, trépied, tourelle, bâtiment, etc.), orientable (ligne de visée pilotable), ou
une caméra optronique omnidirectionnelle installée sur un véhicule ou tout autre support fixe (mat, bâtiment, etc.), ou
un système de caméras optroniques réparties, installé sur un véhicule ou tout autre support fixe.

Le système optronique 18 comprend des éléments intégrés dans ledit système optronique 18. Par le terme « intégré », il est entendu que les éléments sont incorporés physiquement et logiciellement dans ledit système optronique 18. De tels éléments forment donc un seul bloc dans le système optronique 18.

Le système optronique 18 est ainsi, avantageusement, compact et léger (de préférence inférieur à trois kilos).

Les éléments intégrés dans le système optronique 18 comprennent au moins les éléments suivants : un imageur numérique 20, une mémoire 22, un élément de visualisation 24, un module de mesure 26 et une unité de calcul 28. Optionnellement, le système optronique 18 comprend, en outre, l’un des éléments additionnels suivants : un récepteur GNSS 29 et un inclinomètre 30.

L’imageur numérique 20 est propre à acquérir des images de la scène 10. Avantageusement, l’imageur numérique 20 est propre à fonctionner dans plusieurs bandes spectrales, par exemple, dans le visible et dans l’infra-rouge.

L’imageur numérique 20 est, par exemple, une caméra.

Des données sont mémorisées dans la mémoire 22. Les données comprennent notamment, pour au moins chaque point de référence 12 de la scène 10, un indicateur représentatif dudit élément de référence 12 associé aux coordonnées géographiques dudit élément 12. Les indicateurs sont typiquement des éléments visuels affichables sur l’élément de visualisation 24 et permettant d’identifier les éléments de référence 12 correspondant.

Les indicateurs sont, par exemple, des symboles, des données textuelles (nom de l’élément de référence 12) ou encore des données géographiques, aussi appelées produits géographiques. Les produits géographiques comprennent un ou plusieurs des éléments suivants : une cartographie, une ortho-image (d’origine satellitaire ou aéroportée), un modèle numérique de terrain (MNT) et un modèle numérique d’élévation (MNE). En particulier, le MNT est une donnée interne permettant d’aller chercher l’altitude d’un point de coordonnées connues en latitude et longitude, ou de mesurer une distance par lancer de rayon.

Dans le cas où les indicateurs sont des produits géographiques, le système optronique 18 comprend, en outre, un système d’information géographique (SIG) qui regroupe ces produits (les données) et le(s) logiciel(s) permettant de les exploiter (visualiser, manipuler, etc). Avantageusement, le système d’information géographique intègre des fonctionnalités permettant de modifier l’affichage, par exemple, de :

centrer une image affichée sur une position (à l’aide d’un actionneur, tel qu’un bouton, une manette, un pointeur de souris, un stylet, un appui tactile, un oculomètre (en anglais eye tracker), etc.),
modifier le zoom d’affichage des données (augmentation ou diminution du zoom) quel qu’en soit le moyen (molette de souris, appui tactile, manette / boutons, un oculomètre (en anglais eye tracker), etc.),
recharger automatiquement les données en cas de modification du centre du produit géographique (carte, orthoimage…) ou du zoom d’affichage,
pointer un élément de la carte pour en obtenir les coordonnées géographiques (à l’aide d’un actionneur), ou
afficher en surcouche du produit géographique (en sur-impression) des calques thématiques contenant différents types d’informations (par exemple l’intervisibilité terrain calculée depuis le poste d’observation).

Les coordonnées géographiques des éléments de référence 12 sont, par exemple, sous la forme de métadonnées associées auxdits éléments de référence 12. Les coordonnées géographiques sont, par exemple, exprimées par une donnée de latitude, une donnée de longitude et optionnellement une donnée d’altitude (fournie par le modèle numérique de terrain par exemple). Les erreurs de précision associées à ces données sont aussi fournies.

Dans un exemple, seuls les indicateurs des éléments de référence 12 sont mémorisés dans la mémoire 22, l’ensemble des indicateurs formant alors un carnet de références.

Un tel carnet de références est propre à être complété par l’opérateur 16, par exemple, lors d’une phase de préparation de mission. Cette phase de préparation de mission peut être réalisée :

soit directement avec le système optronique qui permet de créer des références et de saisir leurs coordonnées,
soit via un système de préparation de mission externe. Dans ce cas, le système optronique dispose des moyens d‘importation des données (clé usb, wifi, etc.).

Ainsi, l’homme du métier comprendra que les références sont soit prédéfinies (en préparation de mission), soit élaborées in situ, en les sélectionnant sur le SIG ou en saisissant directement leurs coordonnées.

Par exemple, les positions de l’élément de référence 12 sont relevées par l’opérateur 16 sur un produit géographique tel que défini précédemment et enregistrées sous forme de liste (carnet de références) dans la mémoire 22.

Dans un autre exemple, les indicateurs mémorisés dans la mémoire 22 sont des points géo-référencés dans le système d’information géographique, qui fournit des données de latitude, de longitude (et d’altitude si le modèle numérique de terrain est embarqué par exemple).

De préférence, la mémoire 22 comprend, outre les indicateurs des éléments de référence 12, des indicateurs de tous les points géo-référencés sur les produits géographiques mémorisés. En d’autres termes, une donnée géo-référencée (comme une ortho image ou une carte) est une donnée dont chaque élément (pixel, élément) est associé à des coordonnées géographiques. Ainsi, chaque élément d’un produit géographique est un indicateur visuel représentatif d’un point de la scène 10. Cela permet à l’opérateur de retrouver plus facilement l’indicateur visuel de l’élément de référence 12 pointé en le visualisant dans un environnement présentant des similitudes avec la scène observée.

L’élément de visualisation 24 est propre à afficher des images en provenance de l’imageur numérique 20 et/ou des données mémorisées dans la mémoire 22, tels que les indicateurs des éléments de référence 12.

L’élément de visualisation 24 est, par exemple, un afficheur, tel qu’un écran OLED.

Le module de mesure 26 est propre à effectuer des mesures relatives aux éléments de référence 12 ou aux objets 14 de la scène 10.

Le module de mesure 26 comprend au moins un élément, tel qu’un capteur, choisi parmi : un compas, un goniomètre et un télémètre.

Le compas est, par exemple, un compas magnétique ou un compas odométrique.

Par le terme « compas odométrique », il est entendu un outil logiciel propre à effectuer des mesures d’orientations absolues de manière indirecte à partir d’images acquises de la scène 10. Ainsi, lorsque le compas est un compas odométrique, un programme de calcul relatif au compas odométrique est, par exemple, propre à être exécuté par l’unité de calcul 28. Dans ce cas, le compas odométrique est propre à mettre en œuvre un procédé de mesure d’orientation tel que celui décrit dans la demande FR 3 034 553 A, et qui sera décrit plus en détails dans la suite de la description.

Le goniomètre est, par exemple, un goniomètre physique ou un goniomètre odométrique.

De manière similaire au compas odométrique, par le terme « goniomètre odométrique », il est entendu un outil logiciel propre à effectuer des mesures d’orientations relatives de manière indirecte à partir d’images acquises de la scène 10. Lorsque le goniomètre est un goniomètre odométrique, un programme de calcul relatif au goniomètre odométrique est, par exemple, propre à être exécuté par l’unité de calcul 28. Dans ce cas, le goniomètre odométrique est propre à mettre en œuvre un procédé de mesure d’orientation tel que celui décrit dans la demande FR 3 034 553 A, et qui sera décrit plus en détails dans la suite de la description.

Le télémètre est, par exemple, un télémètre laser.

L’unité de calcul 28 est propre à recevoir des données en provenance des autres éléments intégrés dans le système optronique 18, notamment des images en provenance de l’imageur 20, des données mémorisées dans la mémoire 22 et des mesures effectuées par le module de mesure 26.

L’unité de calcul 28 est, par exemple, un processeur.

Dans un exemple, l’unité de calcul 28 est en interaction avec un produit-programme d’ordinateur qui comporte un support d’informations. Le support d’informations est un support lisible par l’unité de calcul 28.

Le support lisible d’informations est un médium adapté à mémoriser des instructions électroniques et capable d’être couplé à un bus d’un système informatique. A titre d’exemple, le support lisible d’informations est une disquette ou disque souple (de la dénomination anglaisefloppy disk), un disque optique, un CD-ROM, un disque magnéto-optique, une mémoire ROM, une mémoire RAM, une mémoire EPROM, une mémoire EEPROM, une carte magnétique, une carte optique ou une clé USB. Sur le support d’informations est mémorisé le produit-programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme.

Le programme d’ordinateur est chargeable sur l’unité de calcul 28 et entraîne la mise en œuvre d’un procédé de détermination de positions dans une scène 10, lorsque le programme d’ordinateur est mis en œuvre sur l’unité de calcul 28 comme cela sera décrit dans la suite de la description.

Le fonctionnement du système optronique 18 entraînant la mise en œuvre d’un procédé de détermination de positions dans une scène 10 va maintenant être décrit en référence à l’organigramme de la . Le procédé de détermination est mis en œuvre seulement par les éléments intégrés dans le système optronique 18.

Lors de la mise en œuvre du procédé, le système optronique 18 et les objets 14 dont il est souhaité déterminé la position sont fixes.

COLLECTE DE DONNEES (PHASE 100)

Le procédé de détermination comprend une phase 100 de collecte de données relatives à au moins un point de référence 12 de la scène 10. Les données collectées sont relatives à des éléments de référence 12 visibles depuis le système optronique 18 (à portée et non masqués). La phase de collecte 100 comprend, pour chaque élément de référence 12 considéré, les étapes suivantes.

Pointage du ou des éléments de référence (étape 110)

La phase de collecte 100 comprend une étape 110 de pointage, par l’imageur numérique 20, de l’élément de référence 12 dans la scène 10. Par le terme « pointage » relativement à l’imageur numérique 20, il est entendu l’alignement d’une référence, tel qu’un réticule, de l’imageur numérique 20 sur l’élément de référence 12 dans la scène 10 visée.

Acquisition de mesures pour chaque élément de référence pointé (étape 120)

La phase de collecte 100 comprend ensuite une étape 120 d’acquisition, par le module de mesure 26, d’au moins une mesure relative à l’élément de référence 12 pointé dans la scène 10 suite à la réception d’une première commande d’acquisition. La première commande d’acquisition est une validation effectuée par l’opérateur 16 du système optronique 18, par exemple, via un actionneur. L’actionneur est ; par exemple, un bouton, une manette, un pointeur de souris, un stylet, un appui tactile, un oculomètre (en anglais eye tracker), etc.

Une mesure effectuée par un compas permet d’obtenir un angle d’azimut pour l’élément de référence 12. Une mesure effectuée par un goniomètre permet d’obtenir un angle de site et de gisement pour l’élément de référence 12, par rapport à un autre élément de référence 12. Une mesure effectuée par un télémètre permet typiquement d’obtenir une distance pour l’élément de référence 12.

En complément facultatif, lors de l’étape d’acquisition de mesures par le module de mesure 26, lorsque le système optronique 18 comprend un inclinomètre 30, il est aussi obtenu une mesure de l’élévation de l’élément de référence pointé dans la scène 10.

Dans un mode de réalisation où le module de mesure 26 comprend un goniomètre odométrique ou un compas odométrique, au moins une mesure acquise relative aux éléments de référence 12 est une mesure d’orientation. L’étape d’acquisition 120 comprend dans ce cas :

l’acquisition d’une série d’images de la scène 10, la série d’images comprenant au moins une image de l’élément de référence 12, les images de la série se recouvrant deux à deux, et
la détermination, par le goniomètre odométrique ou le compas odométrique, de l’orientation de l’élément de référence 12 par rapport au système optronique 18 en fonction de la série d’images de la scène 10 acquise.

Avantageusement, la série d’images acquises permet :

le changement de champ pour zoomer sur la cible : dans la série d’images, le champ de la caméra est modifié à chaque image (zoom continu), de sorte que pour le petit champ, la cible ou la référence soit imagée et pointée avec un maximum de précision, et que par ailleurs une image de la série ait le champ de vue utilisé lors de la phase de calibration (en général un grand champ). Les images intermédiaires servent à recaler les images les unes par rapport aux autres de proche en proche.
l’acquisition d’une cible ou référence en dehors du panoramique de calibration : si l’objet pointé est en dehors du panoramique établi en calibration, la série d’images permet, par déplacement de la caméra pendant l’acquisition de la série d’images, de créer un « pont d’images » reliant la cible au panoramique.
les deuxen même temps (zoomer la cible et pointer une cible en dehors du panoramique de calibration)

Dans un exemple de mise en œuvre du goniomètre/compas odométrique, il est à noter que la position de l’observateur intervient dans deux cas de figure :

pour l’orientation absolue du panoramique de calibration, afin de calibrer le compas odométrique en exploitant au moins une orientation absolue en référence (pas effectué pour le goniomètre odométrique qui est relatif).
pour la calibration fine du goniomètre lorsque la calibration n’a pas été réalisée sur 360° (dans le cas d’une calibration sur un secteur < 360°, il convient de disposer de deux orientations de références pour ré-estimer la focale). Toutefois, la calibration fine n’est pas requise dans un premier temps car on dispose d’une valeur approchée de la focale. En pratique le processus est itératif : calibration approchée -> position approchée -> calibration affinée -> position affinée -> calibration affinée -> position affinée, etc.

En conséquence, lorsque la position de l’observateur est inconnue (GNSS absent ou non fonctionnel) et que l’opérateur souhaite utiliser le compas/goniomètre odométrique (car plus précis que les autres moyens) :

le compas odométrique ne peut pas être utilisé en première intention.
on utilise d’abord le goniomètre odométrique (sans connaissance préalable de la position observateur) pour relever des orientations relatives sur des références, ce qui permet de déterminer la position de l’observateur, permettant de la sorte d’initialiser le compas (qui peut ensuite servir en particulier pour localiser des objets).

Ce processus impose alors l’exploitation d’au moins 2 références dans la scène.

Plus précisément, l’orientation de l’élément de référence 12 est obtenue en mettant en œuvre un procédé de mesure d’orientations tel que celui décrit dans la demande FR 3 034 553 A.

Plus précisément, comme décrit dans la demande FR 3 034 553 A, selon cet exemple, le procédé comprend une phase d'apprentissage et une phase opérationnelle. La phase d'apprentissage comprend les étapes suivantes:

- acquisition par balayage circulaire au moyen du système optronique 18, d'une série d'images optroniques partiellement superposées, comportant une image ou plusieurs images de la scène 10 (étape A1),

- extraction automatique à partir des images, de descripteurs définis par leurs coordonnées image et leurs caractéristiques radiométriques, avec au moins un descripteur d’orientation inconnue dans chaque recouvrement d'images (étape B1),

- à partir des descripteurs extraits des chevauchements entre images, estimation automatique de la rotation relative des images et cartographie des descripteurs extraits des chevauchements (étape C1),

- identification dans les images, d’au moins une direction géographique de référence connue de précision compatible avec les performances souhaitées, et détermination des coordonnées image de chaque référence (étape D1),

- sur la base des descripteurs extraits des recouvrements et cartographiés, de la direction et des coordonnées image de chaque référence, estimation automatique de l'attitude de chaque image, dite étape de recalage fin (étape E1), et

- à partir de l'attitude de chaque image, de la position et des paramètres internes du premier dispositif d'imagerie, et des coordonnées image de chaque descripteur, calcul des directions absolues des descripteurs selon un modèle prédéterminé de capture d'image du dispositif d'imagerie (étape F1).

La phase d’exploitation comprend les étapes suivantes :

- acquisition d'au moins une image de l'objet, en l’espèce l’élément de référence 12 pointé, dite image courante, à partir du système optronique 18 (étape A2),

- extraction des descripteurs de chaque image courante (étape B2),

- cartographie des descripteurs de chaque image courante avec les descripteurs dont la direction absolue a été calculée lors de la phase d'apprentissage, de manière à déterminer la direction absolue des descripteurs de chaque image courante (étape C2),

- à partir des directions absolues des descripteurs de chaque image courante, estimation de l'attitude de chaque image courante (étape D2),

- à partir des coordonnées image de l’élément de référence 12 dans chaque image courante, de l'attitude de chaque image courante, de la position et de paramètres internes prédéterminés du système optronique 18, calcul de la direction absolue de l’élément de référence 12 pointé, selon un modèle prédéterminé de capture d'image de chaque image courante (étape E2).

Optionnellement, une fois l’élément de référence 12 pointé et mesuré, une étape de pointage fin est possible, consistant à aligner une alidade sur un point précis d’une image (parmi la série d’images acquises) de la référence mesurée. Cette étape permet d’affiner précisément le point de l’élément de référence 12 qui correspond aux coordonnées géographiques de la référence désignée à l’étape 130.

Pointage d’un indicateur pour chaque élément de référence pointé (étape 130)

La phase de collecte 100 comprend une étape de pointage 130, sur l’élément de visualisation 24, parmi les indicateurs mémorisés dans la mémoire 22, d’un indicateur représentatif de l’élément de référence 12 pointé dans la scène 10. Lors de cette étape, le pointage désigne l’alignement d’une référence (pointeur numérique, stylet) sur l’indicateur de l’élément de référence 12 ou la sélection de l’élément de référence 12 parmi une liste (carnet de références).

Dans un exemple de mise en œuvre, l’étape de pointage 130 comprend l’affichage sur l’élément de visualisation 24, en parallèle ou successivement ou en superposition :

de l’image de la scène 10 comprenant l’élément de référence 12 pointé par l’imageur numérique 20, et
des indicateurs mémorisés dans la mémoire 22.

Par exemple, lorsque l’affichage est fait en parallèle, une partie de l’élément de visualisation 24 affiche l’image de la scène 10, et une autre partie affiche les indicateurs.

Par exemple, lorsque l’affichage est fait successivement, l’image de la scène 10 d’une part, et les indicateurs d’autre part, sont susceptibles d’être affichés sur la totalité de l’élément de visualisation 24.

Par exemple, lorsque l’affichage est fait en superposition, les indicateurs des éléments de référence 12 sont affichés en superposition (approximativement) à l’image de la scène (par projection dans l’espace de la scène).

Acquisition de coordonnées géographiques associé e s à chaque indicateur pointé (étape 140)

La phase de collecte 100 comprend ensuite une étape 140 d’acquisition, par l’unité de calcul 28, des coordonnées géographiques associées à l’indicateur pointé suite à la réception d’une deuxième commande d’acquisition. La deuxième commande d’acquisition est une validation effectuée par l’opérateur 16 du système optronique 18, par exemple, via un actionneur.

L’homme du métier comprendra que l’ordre des étapes 110 à 140 est donné à titre d’exemple, les étapes 110-120 étant intervertibles avec les étapes 130-140 (il est possible de commencer par désigner des données de référence, puis de faire des mesures sur l’objet correspondant dans la scène. Ou de faire l’inverse).

Mémorisation de données de référence (étape 150)

La phase de collecte 100 comprend alors une étape 150 de mémorisation d’une donnée, dite de référence, comprenant la au moins une mesure acquise et les coordonnées géographiques acquises. Ainsi, dans la mémoire 22, il est associé les positions géographiques connues des éléments de référence 12 pointés avec les mesures obtenues pour lesdits éléments de référence 12 via le module de mesure 26.

DETERMINATION DE LA POSITION DU SYSTEME OPTRONIQUE (PHASE 200)

Le procédé comprend une phase 200 de détermination de la position du système optronique 18 en fonction des données de référence mémorisées pour le au moins un élément de référence 12. La phase de détermination 200 est mise en œuvre par l’unité de calcul 28.

Avantageusement, la phase de détermination 200 comprend la détermination d’une incertitude sur la position déterminée du système optronique 18 en exploitant des incertitudes sur le au moins un élément ayant acquis les mesures et sur les coordonnées géographiques mémorisées des éléments de référence 12.

Dans un mode de réalisation, la phase de détermination 200 comprend la sélection, par l’unité de calcul 28, d’au moins une technique de détermination de positions parmi un ensemble de techniques de détermination de positions en fonction de la nature du ou des éléments du module de mesure 26 ayant acquis la au moins une mesure correspondant à la donnée de référence. La sélection est avantageusement réalisée de manière automatique par l’unité de calcul 28. La position du système optronique 18 est alors déterminée sur la base de la ou de chaque technique de détermination sélectionnée.

Lorsque les mesures ont été acquises par des éléments de nature différente, l’unité de calcul 28 est susceptible de sélectionner plusieurs techniques de détermination différentes. Les résultats obtenus suite à la mise en œuvre de ces techniques sont, par exemple, comparés, moyennés ou pondérés pour obtenir une position optimisée (en précision) du système optronique 18.

Dans un mode de mise en œuvre, pour obtenir la position on procède selon le schéma suivant :

A) Calculer une position approchéeavec un minimum de mesures / d’observations. Cette solution approchée de position s’obtient de manière explicite. On dispose pour cela d’un nombre d’équations d’observations identique au nombre de paramètres à estimer (à minima égal à deux pour estimer uniquement une position limitée au plan horizontal).
B) Estimer une position optimaleen minimisant une métrique de distance. La métrique s’écrit typiquement comme somme quadratique des distances de la position aux lieux correspondant aux observations, chacune pondérée d’après les erreurs des mesures des instruments et sur les coordonnées des références. L’estimateur utilisé délivre une position et sa covariance avec l’ensemble des observations disponibles. On peut utiliser :
- une approche batch minimisant itérativement la métrique en partant de la position approchée. Cet estimateur utilise de manière avantageuse l’information a priori portée par la position approchée et sa covariance en ajoutant deux ou trois équations selon la dimension de l’espace dans lequel est calculée la position.
- une approche séquentielle de type filtre de Kalman, mis à jour en agrégeant les différentes mesures de manière incrémentale.
C) Estimer une position intègre. Pour éliminer des observations biaisées susceptibles de contribuer à l’estimation de l’étape précédente. Cette étape ayant pour objectif de :
- Détecter si l’une au moins des observations est aberrante,
- Dans l’affirmative d’identifier quelle(s) observation(s) est aberrante,
- Si identification, exclure la mesure(s) aberrante(s) du lot d’observation pour alimenter un estimateur comme dans l’étape précédente.
D) Calcul d’une position définitive (si GNSS présent). Cette étape finalise le calcul de position de la façon suivante :
1. Evaluation de l’état du récepteur GNSS d’après la position qu’il délivre et l’incertitude qu’il lui associe en regard de la position intègre obtenue et de sa covariance.
2. Dans la mesure où l’état du GNSS est jugé correct, calcul de la position définitive obtenue par fusion de la position intègre à la position GNSS selon leur covariance respectives et calcul de la covariance de la position définitive.

En particulier, pour A), l’élaboration d’une solution approchée est guidée :

Selon les modalités accessibles ou non (compas magnétique DMC), télémètre laser (LRF), goniomètre (GON), ce qui permet de s’adapter à l’architecture du système optronique,
Selon le nombre d’amers accessibles, ce qui permet de décider du type de solution approchée à utiliser de façon à disposer dès que possible d’une solution approchée au fur et à mesure du nombre d’amers disponibles.

Une solution est décrite par le nombre et la nature des paramètres estimés. Il peut s’agir :

De la position planimétrique ou/et altimétrique du système optronique. Point de référence au niveau du centre optique de l’imageur numérique 20,
Du gisement ou de l’attitude du goniomètre,
De la calibration du compas magnétique pouvant elle-même se modéliser en trois niveaux décrits ici synthétisés :
- Estimation biais d’azimut, intégrant biais du compas, erreur sur ou méconnaissance de la déclinaison magnétique locale, erreur ou méconnaissance de composante horizontale du simbleautage.
- Estimation d’un modèle de correction d’azimut intégrant biais, et composantes périodiques modélisant les effets Hard et Soft Iron.
- Estimation d’un modèle correctif ajoutant aux paramètres précédents deux angles de rotation caractérisant l’assiette du simbleautage.

On décrit quelques cas d’usage utilisés pour mettre en œuvre le procédé. Pour l’obtention d’une solution approchée, on se place initialement dans le repère géographique local barycentrique du ou des amers utilisés. Les directions angulaires sont rectifiées en conséquence en azimut pour le passage entre géométrie plane et sphérique et en élévation (en tenant compte des effets de réfraction atmosphérique si besoin de précision et selon disponibilité des données météorologiques) :

Avec compas magnétique et inclinomètre
- En entrée
  - Mesure des coordonnées géodésiques de deux amers distincts, et les erreurs cartésiennes (planimétrique et altimétrique) associées,
  - Deux mesures d’azimut magnétique (magnétomètre et déclinaison) et les erreurs associées sur les amers,
  - Au moins une mesure d’élévation (inclinomètre) et son erreur sur les amers.
- Mise en œuvre
  - Approche 1 : on estime une position par triangulation comme lieu minimisant la somme quadratique à 2 droites de l’espace.
  - Approche 2 : on calcule l’intersection de droites du plan prenant appui sur chaque amer et ajoutant π à chacune des deux mesures d’azimut. Puis, la position verticale est calculée d’après les élévations sur les amers et la position planimétrique obtenue.
  - Dans chaque approche, calcul d’une covariance sur la position obtenue dépendant des erreurs sur les 2 amers et des erreurs des mesures angulaires.
  - Calcul de la position géodésique du système au moyen de la solution cartésienne en repère barycentrique.
- En sortie
  - Position géodésique approchée du système optronique
  - Covariance sur la position, matrice 3x3 décrite en Repère Géographique Local (RGL)
Avec télémètre et inclinomètre,
- En entrée :
  - Mesure des coordonnées géodésiques de trois amers distincts, et les erreurs cartésiennes (planimétrique et altimétrique) associées,
  - Trois mesures d’élévations sur les amers.
  - Trois mesures de distance sur les amers.
- Mise en œuvre
  - Calcul du rayon obtenu par rectification de la mesure distance et d’élévation.
  - En repère barycentrique, intersection de 3 cercles centrés sur chaque amer par estimation de la position plane dans le RGL par résolution d’un système linéaire redondant (Degrees Of Freedom (en français degrés de liberté) : DoF=1)
  - Estimation de la position verticale du système avec les distances et les élévations
  - Calcul de la position géodésique du système
- En sortie
  - Position géodésique approchée du système optronique
  - Covariance sur la position, matrice 3x3 décrite en RGL
Avec goniomètre,
- En entrée
  - Mesure des coordonnées géodésiques de trois amers distincts, et les erreurs cartésiennes (planimétrique et altimétrique) associées,
  - Trois mesures du goniomètre sur les amers (azimut et élévation) et erreurs associées
- Mise en œuvre
  - Approche 1 : par élimination du gisement dans le repère barycentrique :
    - Intersection de 3 cercles capables par différence des lectures angulaire d’azimut du goniomètre sur les 3 amers.
    - Estimation de la position comme précédemment avec LRF en remplaçant les mesures de l’inclinomètre par celle du goniomètre
    - Estimation du gisement sur les 3 amers d’après la position plane obtenue
  - Approche 2 : par calcul du gisement dans le repère barycentrique
    - Calcul explicite du gisement
    - Intersection de 3 droites pour estimer la position plane obtenue par résolution d’un système linéaire de 3 équations.
- En sortie
  - Position géodésique approchée du système optronique
  - Covariance sur la position, matrice 3x3 décrite en RGL
  - Gisement approché du goniomètre
  - Ecart-type du gisement du goniomètre .
Avec télémètre et goniomètre ,
- En entrée :
  - Mesure des coordonnées géodésiques de deux amers distincts, et les erreurs cartésiennes (planimétrique et altimétrique) associées,
  - Deux mesures d’élévations sur les amers.
  - Deux mesures de distance sur les amers.
  - Deux lectures du goniomètre, ou écart angulaire, sur les 2 amers.
- Mise en œuvre
  - Calcul du barycentre des 2 amers et des coordonnées dans amers dans le repère géographique d’origine ce barycentre.
  - Calcul des 2 rayons obtenus par rectification de la mesure distance et d’élévation dans le plan.
  - Calcul des caractéristiques du cercle goniométrique passant par les 2 amers projetés.
  - En repère barycentrique, intersection des 3 cercles précédents dans le RGL par résolution d’un système linéaire redondant (DoF=1)
  - Estimation de la position verticale du système avec les distances et les élévations.
  - Calcul de la position géodésique du système
  - Pour affiner la solution en regard de la bonne utilisation des élévations et des azimuts compte tenu de la rotondité terrestre ; estimation de la position et du gisement du goniomètre en utilisant la solution approchée précédente.
- En sortie
  - Position géodésique approchée du système optronique
  - Covariance sur la position et le gisement du goniomètre, matrice 3x3 décrite en RGL
Dans un autre exemple, au moins un point de référence 12 est considéré, et le module de mesure 26 comprend un compas magnétique et un télémètre. Le compas magnétique permet de mesurer l’angle par rapport au nord sous lequel le système optronique 18 voit l’élément de référence 12, et de tracer une droite associée. Le télémètre permet de déterminer la distance entre le système optronique 18 et l’élément de référence 12. Cette distance est reportée sur la droite tracée, ce qui permet d’en déduire la position du système optronique 18.

En ce qui concerne B), la recherche d’une position optimale permet d’obtenir une meilleure performance de localisation. Elle s’effectue dès lors que l’on dispose :

d’un nombre d’amers surabondant en mono-modalité,
d’un nombre d’amers minimal mais de multi-modalités,
d’un nombre d’amers surabondant et de modalité mixtes.

En ce qui concerne C, la recherche d’une solution intègre s’effectue dès que possible et la recherche d’une solution approchée telle que présentée permet d’évaluer séparément un niveau d’intégrité des mesures, dès le stade de calcul de position approchée, c’est-à-dire sans redondance forte. Pour cela on confronte 3 situations prenant les positions par les couples de 2 modalités et réalise un test de comparaison de leur moyenne. En synthèse la différence des 2 positions est compatible de leur covariance, avec un seuil , fixé d’après la probabilité de cohérence souhaitée. Si alors les 2 positions obtenues d’après les modalités et sont cohérentes.

Ainsi :

si est cohérente mais que ni ni ne le sont, alors on peut suspecter un problème de télémétrie sur un amer.
si est cohérente mais que ni ni ne le sont, alors on peut suspecter un problème au niveau du compas magnétique.

Cette caractérisation d’intégrité est jugée minimale en matière de contrôle d’intégrité car elle ne permet pas de déceler une erreur sur les coordonnées d’un amer. Pour cela on utilise un processus en plusieurs strates :

une redondance d’information où tous les amers sont utilisés en mono ou intra-modalité,
une redondance multi-modalités comparant les solutions inter-modalités obtenues séparément avec un nombre d’amer minimal par exemple les solutions de toutes les modalités possibles sur 3 amers.

une redondance d’information utilisant un test global avec tous les amers dans toutes les modalités alimentant le même estimateur.

Une redondance d’estimateur distincts de type batch et séquentiel, de type bayésien pour intégrer l’information de la solution approchée, produisant une solution et sa covariance estimée, et un test de comparaison de leurs estimations respectives.

En ce qui concerne D, une fois la position optimale et sa covariance estimée, on teste la position et covariance du récepteur GNSS afin :

d’évaluer son état et en informer l’utilisateur,
de fusionner position estimée et position GNSS si cette dernière est jugée crédible.

Ceci permet d’obtenir une position définitive de performance ultime.

Plus spécifiquement, pour évaluer l’état du récepteur GNSS, il est procédé de la manière suivante :

Après estimation d’une position intègre à l’issue des étapes précédentes et du calcul de sa covariance avec l’ensemble des mesures correctes sur les éléments de référence 12 disponibles,
Après réception de la position et sa covariance du GNSS au travers des messages norme ‘National Marine Electronics Association’ (NMEA),
On réalise un test de cohérence entre les 2 distributions précédentes, et entre les informations NMEA et celles de la fiche technique du récepteur GNSS. Le récepteur GNSS est jugé inopérant en cas d’incohérence et à contrario opérant en cas de cohérence. Dans ce dernier cas la position définitive du système optronique 18 est obtenue comme

Expression dans laquelle la covariance sur la position définitive est donnée d’après : .

En résumé de D), lorsque le système optronique 18 comprend un récepteur GNSS 29, la phase de détermination de la position du système optronique 18 comprend la détermination de la position du système optronique 18 par le récepteur GNSS 29, dite position GNSS, et la validation ou non de la position GNSS par comparaison à une position obtenue précédemment pour le système optronique 18 via les données de référence (de préférence la position intègre). Cela permet notamment de vérifier que le récepteur GNSS n’a pas été brouillé ou leurré. Lorsque la position GNSS a été validée, il est obtenu une position définitive pour le système optronique 18 par fusion de la position GNSS avec la dernière position obtenue pour le système optronique 18 via les données de référence (de préférence la position intègre).

En conclusion, dans cet exemple de mise en œuvre, trois niveaux de vérification sont proposés pour l’intégrité de la solution :

En mono-modalité et avec un nombre surabondant d’amers on utilise des méthodes similaires aux techniques de Contrôle Autonome de l’Intégrité par le Récepteur (en anglais Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM)) du GNSS. L’originalité provient du fait que l’on travaille ici avec des informations de nature variées (coordonnées amer + un type de mesure angle ou distance selon modalité) et que l’on évalue la cohérence de l’ensemble des paramètres estimés ne se limitant pas forcément à la seule position.
En modalité mixte, l’originalité provient que l’on travaille de plus conjointement avec plusieurs types de mesure.
En multi-estimateur, sur le même périmètre d’information, batch et séquentiel en parallèle.

Dans ce qui suit, il est donné des exemples illustrant les principes décrits précédemment, notamment en référence aux figures 4 à 7.

Il est à noter que par soucis de simplification les exemples qui suivent sont donnés pour un positionnement en deux dimensions (projection dans le plan horizontal). Dans ce cas, la composante verticale (altitude, élévation) n’est pas considérée et le problème dans son ensemble est projeté dans un plan moyen horizontal. Les positions sont alors décrites par deux paramètres (position planimétrique) et les orientations angulaires (des amers ou de l’observé) sont décrites par la seule valeur d’azimut ou de gisement. Les distances mesurées peuvent être utilisées telles quelles, ou de préférence projetées dans le plan horizontal en faisant intervenir le cosinus de l’élévation des lignes de visée si celle-ci est connue.

L’hypothèse 2D simplificatrice suffit (en terme de précision versus un besoin) dans plusieurs cas caractérisés par :

un relief peu marqué (faible différence d’altitudes sur le théâtre d’opération),
une connaissance des altitudes (observateur, observé) non requise ou n’ayant pas besoin d’être précise,
une géométrie d’observation (ligne de visée entre observateur et amers et observé) proche de l’horizontal (< 10°).

Les calculs réalisés pour obtenir la position sont néanmoins tout à fait adaptables à une approche 3D ou 2D selon le besoin. Notamment, disposant d’une position planimétrique 2D (longitude et latitude), obtenue en utilisant un plan local à la position du capteur, et accédant à un produit géographique de type MNT/MNE, on complète la composante verticale de la position par interpolation dans le MNT/MNE. Dans la mesure où l’on n’accède pas à un MNE et que l’on se situe sur une structure au-dessus du sol (ex bâtiment), alors la hauteur de la structure est si besoin calculée par une mesure spécifique avec l’imageur numérique 20.

Pour chaque élément de référence 12, en fonction de la nature du ou des éléments du module de mesure 26, les mesures suivantes sont susceptibles d’être obtenues et exploitées pour déterminer la position du système optronique 18 :

l’orientation géographique absolue, mesurée par un compas,
l’écart angulaire par rapport à un autre élément de référence 12, mesuré par un goniomètre, et
la distance au système optronique 18, mesurée par un télémètre.

Pour chaque élément de référence 12, en fonction des éléments actifs du module de mesure, il y a donc 7 jeux de mesures utilisables possibles (1 observation parmi 3, ou 2 observations parmi 3, ou les 3 observations) selon les observations (mesures) disponibles / réalisées.

Les principes de quatre techniques de détermination de la position du système optronique 18 sont données à titre d’exemple dans ce qui suit en fonction des informations disponibles et/ou exploitées sur chaque élément de référence 12 :

première technique : utilisation des angles absolus mesurés par un compas (voir figures 4 (2 amers) et (3 amers)),
deuxième technique : utilisation des distances mesurées par télémétrie (voir ),
troisième technique : utilisation des écarts angulaires mesurés par un goniomètre (voir ), et
quatrième technique : technique utilisant des mesures en provenance de capteurs de nature différente, la quatrième technique est basée sur une combinaison ou une fusion de une ou plusieurs techniques précédentes.

Dans un exemple, selon la première technique, seules les orientations angulaires absolues des amers, mesurées depuis la position d’observation (inconnue, aussi appelée position du système optronique 18) sont utilisées. La première technique implique des mesures effectuées sur au moins deux éléments de référence 12.

Comme illustré par la , pour deux éléments de référence 12A, 12B, la position du système optronique 18 est située à l’intersection de demi-droites D1 et D2. Chaque demi-droite D1, D2 a pour origine un élément de référence 12A, 12B (l’origine correspond aux coordonnées géographiques acquises pour l’élément de référence 12) et a pour direction l’orientation angulaire (signée) mesurée par le compas magnétique. Les références Az1 et Az2 désignent les azimuts respectifs des éléments de référence 12A, 12B considérés. La référence N désigne le nord.

Lorsque le nombre d’éléments de référence est supérieur ou égal à trois, comme illustré par la pour trois éléments de référence 12A, 12B, 12C, l’intersection des demi-droites D1, D2, D3 ne se fait pas en un point unique (compte tenu des erreurs sur les angles, et sur la position des éléments de référence). La position retenue est, par exemple, le résultat d’une optimisation d’équations non linéaires résultant d’un problème décrivant la géométrie de l’exemple.

Dans un autre exemple, selon la deuxième technique, seules les distances des éléments de référence 12, mesurées depuis la position du système optronique 18, sont utilisées. Dans cet exemple, les mesures sont effectuées sur au moins trois éléments de référence 12.

Comme illustré par la , la position du système optronique 18 est située à l’intersection de cercles C1, C2, C3. Chaque cercle C1, C2, C3 est centré sur un élément de référence 12A, 12B, 12C et a pour rayon la distance d1, d2, d3 mesurée pour l’élément de référence 12A, 12B, 12C. L’intersection des cercles C1, C2, C3 ne se fait pas un en point unique (compte tenu des erreurs sur les distances, et sur la position des éléments de référence). La position retenue est, par exemple, le résultat d’une optimisation d’équations non linéaires résultant d’un problème décrivant la géométrie de l’exemple.

Dans un autre exemple, selon la troisième technique, seuls les écarts angulaires entre deux éléments de référence 12 (couples d’éléments de référence), mesurés depuis la position du système optronique 18, sont utilisés. Dans cet exemple, les mesures sont effectuées sur au moins deux couples d’éléments de référence, soit au moins trois éléments de référence 12.

Comme illustré par la , la position du système optronique 18 est située à l’intersection d’arcs de cercles C1, C2. Chaque arc de cercle C1, C2 passe par les deux éléments de référence d’un couple d’éléments de référence, qui forment les extrémités de l’arc de cercle, et son rayon est tel que tel que chaque point de l’arc de cercle C1, C2 est le sommet d’un angle (signé) Φ_AC, Φ_ABégal à l’angle mesuré entre les deux éléments de référence.

A partir de quatre éléments de référence (trois arcs de cercle), l’intersection des arcs de cercle ne se fait pas en un point unique (compte tenu des erreurs sur les angles, et sur la position des amers). La position retenue est, par exemple, le résultat d’une optimisation des équations non linéaires résultant d’un problème décrivant la géométrie de l’exemple.

Dans un autre exemple, selon la quatrième technique, la position du système optronique 18 est déterminée en exploitant des mesures issues d’éléments différents du module de mesure 26, les mesures étant disponibles pour chaque élément de référence considéré, ou des mesures (une par élément de référence) effectuées par des éléments différents entre les éléments de référence 12.

De manière générale, dans une approche simplifiée « 2D », la détermination de la position du système optronique 18 revient à déterminer l’intersection de plusieurs lieux géométriques :

des demi-droites passant par les éléments de référence 12, caractérisées par un angle absolu (demi-droites issus de mesure d’orientation absolue des éléments de référence 12), et/ou
des cercles centrés sur les éléments de référence 12 et de rayon égal à la distance mesurée de l’élément de référence (cercles issus de mesure de distance des éléments de référence 12), et/ou
des arcs de cercles passant par deux éléments de référence 12 et dont le rayon et les coordonnées du centre s’expriment en fonction de l’écart angulaire mesuré entre les deux points de référence et les coordonnées de ces deux points.

L’intersection de ces figures géométriques n’est généralement pas concentrée en un seul point mais forme une zone d’intersection, compte tenu des erreurs sur les observations (erreurs sur les angles, sur les distances et sur la position des éléments de référence 12).

Le fait d’utiliser des mesures en provenance d’éléments de nature différente pour déterminer la position du système optronique 18 permet de :

- rejeter les mesures qui semblent aberrantes par rapport aux autres mesures,

- calculer une intersection minimisée (centre de la zone d’intersection) qui est retenue comme la position du système optronique 18, et

- évaluer une précision associée à cette position, qui exprime la dimension de la zone d’intersection, accentuée par la prise en compte de la précision sur chaque mesure (précision sur les angles, sur les distances, sur les positions).

DETERMINATION POSITION OBJET (PHASE 300)

Le procédé de détermination comprend une phase 300 de détermination de la position d’un objet 14 (observé) de la scène 10 en fonction de la position déterminée du système optronique 18 (observateur), d’une orientation absolue obtenue de l’objet 14 par rapport au système optronique 18 et d’une distance obtenue entre l’objet 14 et le système optronique 18. L’objet 14 considéré est visible depuis le système optronique 18 (à portée et non masqué).

La position de l’objet 14 est alors obtenue par calcul, par l’unité de calcul 28, de la coordonnée géographique située à l’extrémité du vecteur ayant pour origine la position du système optronique 18, pour orientation l’orientation absolue de l’objet 14 et pour longueur la distance entre le système optronique 18 et l’objet 14.

Avantageusement, la précision sur la position de l’objet 14 est calculée en fonction de :

la précision sur la position du système optronique 18,
la précision sur l’orientation absolue de l’objet 14, et
la valeur de la distance et la précision sur la distance entre le système optronique 18 et l’objet 14.

Pour la détermination de l’orientation, selon un exemple, lorsque le module de mesure 26 comprend au moins un compas magnétique, l’orientation absolue de l’objet 14 est obtenue par une mesure acquise par le compas après pointage de l’objet 14 par l’imageur numérique 20, après prise en compte automatique de la déclinaison magnétique (intégrée au dispositif).

Selon un autre exemple, l’orientation de l’objet 14 est obtenue en mettant en œuvre un procédé de mesure (compas odométrique) tel que celui décrit dans la demande FR 3 034 553 A. Un tel procédé comprend notamment l’acquisition d’une série d’images de la scène 10, la série d’images comprenant au moins une image de l’objet 14, les images se recouvrant deux à deux. Un tel procédé comprend aussi la détermination de l’orientation de l’objet par rapport au système optronique en fonction de la série d’images de la scène.

Pour la détermination de la distance entre l’objet 14 et le système optronique 18, selon un exemple, lorsqu’au moins un élément du module de mesure 26 est un télémètre, la distance entre l’objet 14 et le système optronique 18 est obtenue par une mesure acquise par le télémètre lors d’un pointage de l’objet 14 par l’imageur numérique 20.

Selon un autre exemple, lorsque l’objet 14 est au sol, la distance entre l’objet 14 et le système optronique 18 est obtenue par une méthode de lancer de rayon à partir d’un modèle numérique de terrain de la scène 10. La distance obtenue est alors la distance entre la position déterminée du système optronique 18 et l’intersection d’une droite prédéterminée avec le sol d’un modèle numérique de terrain. La demi-droite prédéterminée passe par la position déterminée du système optronique 18 et a pour orientation celle obtenue de l’objet 14 par rapport au système optronique 18.

Ainsi, le procédé de détermination de positions permet de déterminer, d’une part, la position du système optronique 18 (observateur), et d’autre part, si cela est souhaité, la position d’un objet 14 de la scène 10 de cordonnées inconnues (observé) au moyen seulement d’éléments intégrés dans un système optronique 18 pour peu que la scène 10 comprenne au moins un point de référence 12 de position connue (amer).

Une tel procédé s’affranchit de l’utilisation d’un récepteur GNSS.

La phase de collecte de données au moyen seulement d’éléments intégrés dans le système optronique 18 est particulièrement ergonomique pour l’opérateur 16. L’élément de visualisation 24 permet notamment d’établir de manière aisée une correspondance entre l’élément de référence pointé dans la scène 10 et l’indicateur correspondant mémorisé dans la mémoire 22 du système optronique 18. Le risque d’erreur est, ainsi, diminué.

En outre, le fait que tous les éléments soient intégrés dans le système optronique 18 permet de déterminer la précision des positions déterminées. En effet, les précisions des éléments du module de mesure 26, des coordonnées géographiques et les éventuelles approximations dans les calculs effectués sont tous centralisés par l’unité de calcul 28.

En fonction des cas, le procédé permet également :

La vérification d’intégrité (détection et rejet d’une mesure ou donnée aberrante), ce qui permet de réduire les erreurs.
Calibration simplifiée du compas magnétique, ce qui implique un gain de temps.
Capacité de travailler sans télémétrie, c’est-à-dire de manière passive (sans émission d’onde), ce qui améliore la discrétion.
Aide à l’utilisateur pour l’acquisition des amers (car tout est intégré), ce qui permet de gagner en temps et d’obtenir une meilleure performance.
Aide à l’utilisateur pour le choix des mesures à effectuer (car tout est intégré), ce qui permet une meilleure performance.

L’homme du métier comprendra que les modes de réalisation précédemment décrits peuvent être combinés pour former de nouveaux modes de réalisation pourvu qu’ils soient compatibles techniquement. En outre, les modes de réalisation décrits peuvent aussi être complétés par les compléments décrits ci-après.

Calibration d’un compas magnétique

En complément facultatif, au moins un élément du module de mesure 26 est un compas magnétique, le procédé comprend alors une phase de calibration du compas magnétique (auto-calibration) en fonction de mesures acquises après positionnement du système optronique (sans GNSS) au moyen :

d’idéalement au moins deux éléments de référence 12, même si un seul pourrait suffire avec le télémètre, afin d’accéder à une qualité correcte de position du système optronique avec un compas magnétique non calibré. Par « position de qualité correcte » du système optronique, il est entendu de qualité équivalente au positionnement avec GNSS en mode standard.
un ensemble d’orientations obtenues d’après les mesures d’attitude des images du secteur ou panoramique acquis dans la phase de calibration et estimées par le compas odométrique, datées par l’horloge du système optronique.
un ensemble d’orientations obtenues d’après les mesures d’orientation d’azimut magnétique et d’élévation du compas magnétique datées par l’horloge du système optronique.
la synchronisation temporelle des deux ensembles d’orientations précédents.
Un modèle de correction des mesures magnétiques, par exemple, propre à mettre en œuvre l’une des méthodes suivantes.

Une première méthode, consiste à estimer un simple biais en azimut au moyen d’une modalité de mesure (télémètre ou goniomètre) délivrant une solution de qualité, y compris sur un faible nombre d’amer. Pour exemple de configuration minimale, avec 2 amers faisant l’objet de 2 télémétries et 2 mesures de compas magnétique. Même biaisées, les mesures du compas suffisent à déterminer la bonne solution de position parmi les 2 intersections des cercles distances dans le plan. La projection dans le plan se faisant avec les mesures d’élévation de l’inclinomètre intégré ou non au compas magnétique. Disposant d’une bonne position du système optronique, il est alors aisé de déterminer le biais du compas magnétique. En pratique ce biais intègre la méconnaissance de déclinaison locale, du montage du compas au système optronique et le biais propre de la mesure d’azimut magnétique. Avec un nombre de mesures surabondant, le biais compas peut être estimé.

Une seconde méthode consiste à résoudre uniquement un modèle correctif en azimut. L’ensemble des observations permet d’estimer les coefficients par résolution d’un système linéaire ; la transformation entre les orientations d’azimut odométrique et magnétique s’écrit alors en fonction de coefficients :

L’azimut magnétique peut être compensée d’une valeur approchée de la déclinaison magnétique locale pour donner la valeur , le coefficient indépendant de l’azimut intégrera pour le moins l’erreur résiduelle de déclinaison et de montage du DMC en regard de la voire d’imagerie.

Un ensemble de M couples de mesure, conduit à M équations dont on extrait les paramètres comme solution au moindres carrés d’un système linéaire avec une matrice , et un vecteur . Avec une modélisation d’ordre intégrant les effets ‘soft’ et ‘hard iron’, les coefficients inconnus s’obtiennent avec :

Cette méthode n’impose pas de connaissance particulière de la déclinaison magnétique. Celle-ci se trouve intégrée au terme du premier ordre . Pour déterminer l’attitude d’une image du système optronique à partir des mesures du compas magnétique (et inclinomètres/accéléromètres intégrés) il faut au préalable le simblauter. Cette opération, qui revient à estimer les angles de montage entre les axes sensibles du compas relativement aux axes de la voie de référence du système optronique, n’impose pas d’être réalisée à chaque utilisation dès lors que le montage du compas au système optronique est rigide dans le temps.

Une troisième méthode estime à la fois l’attitude du compas magnétique et son simbleautage décrit par son attitude dans la caméra. La transformation entre les orientations odométriques et magnétiques s’écrit alors avec la matrice de défaut de montage :

Ou de manière équivalente, la matrice inverse de correction de montage :

Où :

Ecrivant la matrice de rotation de correction comme :

Ecrivant une orientation du compas magnétique , en oubliant la réfraction atmosphérique sur son élévation comme :

Rappelant par ailleurs :

que les angles de simbleautage et sont faibles, ou connus à quelque degrés près, car les axes du compas sont montés à peu près parallèlement à ceux des voies d’imagerie. Ceci permet alors de les écrire . La rotation , non linéaire en fonction des inconnues et , s’écrit sous forme linéaire en fonction des incréments comme :

que pour l’orientation magnétique, les coefficients étant faibles, l’orientation du compas s’écrit au premier ordre sous la forme linéaire :

Pour M orientations magnétiques associées à M orientations odométriques, on dispose alors d’un système non linéaires à équations et inconnues. Ce système se résout par exemple de manière itérative dans une approche de Levenberg Marquardt ou de Gauss-Newton en initialisant le système avec des angles de simbleautage de valeurs nulles , on dispose alors d’un système linéaire aux inconnues, soit à l’ordre les 8 coefficients obtenus au bout de 3 à 4 itérations de Gauss-Newton par exemple.

Pour cette méthode, on recommande l’utilisation d’une valeur (approchée) de la déclinaison magnétique locale dès lors qu’elle est disponible au sein du système optronique. En effet, l’angle de montage vertical ou en azimut ne se distingue pas du coefficient pour les séparer plus finement on rajoute au moins 1 équation aux précédentes intégrant au moins l’une des informations a priori portant sur les valeurs à priori, resp. et , et leur écart type associés, resp. et :

Ainsi, la réalisation, l’acquisition d’un panoramique ou d’un secteur comme dans FR 3 034 553 A, et l’utilisation d’au moins deux amers pour se positionner sans GNSS permet de réaliser en toute transparence pour l’utilisateur, et ceci au moyen des mesures conjointes des orientations odométrique et des orientations du compas sur les images utilisées pour la construction du compas odométrique :

la correction des mesures du compas des perturbations locales liés aux effets soft iron et hard iron,
la caractérisation du simbleautage du compas au système optronique, le montage entre les différentes voies du système optronique étant prédéterminé.

Ces calibrations confèrent à l’invention les avantages suivants :

Réduction du délai de mise en œuvre du système optronique 18.
Capacité d’afficher en réalité virtuelle/augmentée des éléments vectoriels sur l’écran de visualisation présentant une voie directe optique ou des images numériques des voies du système optronique, y compris si le système subit des mouvements de rotation rapide ou si l’utilisateur observe des zones extrêmement homogènes pour lesquelles il serait difficile de mettre en œuvre un goniomètre visuel dans sa phase de localisation en vue de positionner un objet 14.
Amélioration de la localisation d’objet 14 au moyen du compas magnétique et d’une mesure de sa distance,
Possibilité de déplacer le système optronique et de reprendre des calculs de positions d’objet 14 avec le compas magnétique calibré sans reprendre sa calibration N points, dès lors que l’environnement magnétique a peu évolué et sans reprendre une procédure de calibration pour utiliser un goniomètre. La précision de localisation d’objet 14 étant alors principalement limitée par la contribution d’erreur angulaire du compas magnétique.

Aide à la sélection de structures de référence

En complément facultatif, le procédé décrit permet d’aider à la sélection d’éléments de référence. Un exemple de sélections de points d’amers est décrit dans ce qui suit.

L’utilisateur est optionnellement guidé dans sa sélection d’éléments de référence 12 dès lors que le système optronique 18 élabore une valeur approchée de sa position.

L’acquisition d’un nouvel élément de référence 12 permettant d’affiner la position du système optronique 18, la pertinence de l’aide est susceptible d’être affinée après chaque nouvelle acquisition.

Les éléments de référence 12 sont extraits et accessibles dans les 3 modes suivants :

Le mode carnet de structures de références.
Le mode SIG lorsqu’ils sont extraits de produits géographique intégrés
Le mode mixte carnet et SIG.

Le choix d’amer peut être guidé selon des critères de proximité géographique.

Pour le mode carnet / mixte, le choix d’amer peut être guidé selon :
- Sa zone de proximité à la position du système optronique (masque géographique et requête de zone sur le carnet de références pour filtrer les éléments de référence 12 candidats selon leurs coordonnées),
- Sa distance au système optronique 18 : un masque de distance pouvant être prédéfinies en termes de visibilité optique et un autre en termes de portée de télémétrie.
- Son écart angulaire à l’orientation courante du système optronique 18, ou à une orientation particulière choisie par l’utilisateur. L’orientation des éléments de référence 12 du carnet permettant de les trouver :
  - dans le champ de vision (FOV) de la voie courante utilisée, aux erreurs angulaires près.
  - hors du FOV en présentant un intervalle angulaire :
    - suffisamment faible pour aller être visité avec une faible rotation de quelques FOV,
    - suffisamment important, de plusieurs FOV, pour proposer d’atteindre l’élément de référence 12 le plus proche .Dans ce cas les directions (azimut, élévation) peuvent être matérialisées dans l’imageur.
En mode carnet / mixte, le choix d’amer peut être guidé comme précédemment en affichant de plus les indices des structures sur l’ortho-image notamment.

Le choix d’amer peut aussi être guidé selon des critères de performance. Un aspect majeur étant de répondre aux critères suivants, disposant d’une position (approchée) :

En mode carnet / mixte, quel prochain élément de référence 12 du carnet choisir et avec quel(s) type(s) d’instrument effectuer la mesure en vue de maximiser la performance de la nouvelle position qui serait estimée en utilisant ces nouvelles informations (point et mesure(s) instrumentale).
En mode SIG, l’utilisateur dispose d’une grande latitude dans le choix des points, non connus par avance plutôt que d’indiquer un point à choisir une zone accédant à la meilleure performance moyennant le choix d’1 voir de 2 nouveaux amers peut être proposé. Dans ce mode l’utilisateur peut bénéficier d’une préparation préalable qui consiste à réaliser une segmentation sémantique des ortho-images embarqués ; les informations sémantiques embarqués pouvant :
- Pour le moins indiquer la nature géologique des zones (forêt, urbain, fleuve) de la zone
- Pour le mieux indiquer les zones à probabilité forte de trouver des structures visibles à extension verticale (bâtiments arbres) ;
En mode mixte, les possibilités des 2 modes précédents sont utilisables.
Dans tous les modes, les structures de référence peuvent aussi bénéficier d’un filtrage en termes d’inter-visibilité dès lors qu’une position approchée de 18 est connue et que l’on accède idéalement à un MNE à défaut d’un MNT.

Le type d’éléments de référence 12 choisis par l’utilisateur comprend des positions ponctuelles extraites d’éléments de référence 12. L’extraction peut se limiter à :

Un unique point, on appelle alors la structure de référence par points d’amer après lui avoir adjoint des coordonnées géographiques – et leurs erreurs associées, ce sera par exemple le sommet d’un château d’eau ou d’un autre type d’édifice très élevé et présentant un sommet marqué pouvant faire l’objet d’une télémétrie si nécessaire, le coin d’un bâtiment, l’aspérité d’un rocher ou structure artificielle montagneuse proéminente,
Deux points d’une structure, extraits d’un produit géographique en représentation plane (carte ou image numérique de référence) qui s’appuieront alors un segment de type bord de bâtiment vertical ou horizontal, bord de route, trottoir, bord ou centre d’un chemin, d’une côte … Les extrémités du segment, définis par les deux désignations extrêmes dans le produit géographique de référence sont caractérisées en altitude d’après le MNT/MNE et les erreurs sur ces extrémités d’après les métadonnées du produit géographique. Sa correspondance à une ou plusieurs images du système optronique 18 se fait en désignant dans l’image optronique des extrémités qui physiquement ne correspondent pas forcement à ceux désignés sur l’image de référence.

Le choix entre ces deux représentations points/segment se fait selon les produits accessibles. Dans le cas d’accès à un produit géographique, le choix entre une représentation point ou segment dépend de la structure des éléments présents dans la scène 10. Trois cas se présentent en matière de choix selon que :

L’utilisateur accède à suffisamment de points remarquables à la fois discernables dans l’image optronique et dans l’image numérique de référence et pouvant être extrait rapidement et sans ambiguïté ; alors il travaille en mode point de référence ou d’amer.
L’utilisateur n’accède à aucun point tels que ci-dessus mais distingue une ou plusieurs structures linéaires dans la scène 10 possédant au moins pour une partie commune dans l’image optronique et dans l’image numérique de référence ; alors il privilégie le segment qu’il désigne par 2 extrémités dans l’image optronique et 2 autres extrémité dans l’image de référence. Les extrémités des 2 segments ainsi extraits ne se correspondent pas deux à deux mais l’important est que ces segments définissent une même direction spatiale dans 10.

L’utilisateur distingue à la fois une ou plusieurs structures 12 à la fois ponctuelles et linéaires ; il peut alors désigner les 2 types de structure, le traitement dans l’unité de calcul 28 se chargeant d’exploiter ces 2 types d’association de primitives pour le calcul de la position de 18 et de l’attitude de son goniomètre s’il en dispose.

Aide au choix des mesures

En complément facultatif, l’unité de calcul 28 est propre à aider au choix parmi les instruments disponibles dans le module de mesure 26 en vue d’améliorer la performance par acquisition d’un élément de référence 12 spécifique. Ce processus permet l’acquisition et le filtrage des mesures en vue de leur traitement dans le système optronique 18. Les critères suivants sont de préférence appliqués, à savoir des critères :

D’objectif de performance car un compas magnétique décrit un lieu moins précis qu’un télémètre alors qu’un télémètre ou/et un goniomètre sont susceptibles de procurer une qualité correcte dès l’utilisation de 2 ou 3 amers.
de disponibilité instrumentale, un goniomètre visuel ou mécanique n’est pas forcément accessible sur le système optronique 18, le premier parce qu’il est mis en difficulté sur une scène 10 apparaissant homogène dans les images, le second parce qu’il ajoute une contrainte de masse au système 18.
d’opportunité car l’utilisation du compas magnétique et du télémètre sur une unique structure 12 procurera une erreur de position dès lors que l’élément de référence 12 se trouve éloigné (quelques centaines de mètres) du système optronique 18.
de contraintes énergétiques car un système peut imposer de fonctionner en réduisant au minimum sa consommation, dans ce cas l’utilisation d’instrument plus énergivores peut être proscrite.
de contraintes d’illumination, si l’utilisateur doit respecter une contrainte de discrétion d’émission électromagnétique, alors le télémètre ne sera pas utilisé pour illuminer des objets 14, une contrainte plus forte peut lui interdire d’illuminer toutes les entités de la scène 10, y compris les structures de référence 12.

De plus, le nombre de structure 12 minimum à acquérir dépend du niveau de sécurité que l’on souhaite porter à l’information de position. Dans la suite on note DoF le degré de liberté qui correspond aux nombre d’équation d’observation réduit du nombre de paramètres à estimer.

Si l’on estime une position 2D, en utilisant un MNT pour déduire une altitude par la suite, le nombre d’inconnues à estimer et de 2. Il passe à 3 pour estimer une position spatiale. Dans le cas d’utilisation d’un goniomètre visuel ou mécanique, ces nombres sont à augmenter :

d’une unité si on souhaite de plus estimer l’azimut de la lecture de son zéro,
d’encore 2 unités si on souhaite de plus estimer son assiette pour ainsi déterminer l’attitude spatiale du goniomètre.

Aussi selon le type de position à obtenir il conviendra de disposer :

pour une position approché ; d’un DoF ≥ 0
pour une position optimale ; d’un DoF ≥ 1
pour une position intègre, en supposant la présence potentielle d’une unique anomalie, il faudra un DoF ≥ 2 (DoF ≥ 1 pour la détecter et à 2 pour identifier la mesure erronée).

Exemple de calcul de position s et d’erreurs (cas du goniomètre)

On décrit successivement dans la suite un exemple d’obtention du lieu géométrique de positions possibles du système optronique 18 avec 1 mesure d’écart angulaire sur 2 éléments de référence 12, la sensibilité du lieu de position aux erreurs de mesures et à la géométrie des éléments de référence 12 et la manière d’obtenir la position du système optronique 18 avec 3 éléments de référence 12. Nous détaillons ici le processus permettant d’obtenir une position approchée par traitement des mesures d’angle avec le goniomètre visuel. Nous indiquons :

la position plane du système optronique 18 appartient à un cercle, lieu, sous lequel deux amers de coordonnées planes et sont vus et mesurés sous l’angle . L’équation du cercle vérifiant :

avec :

; ;

la précision avec laquelle ce lieu est obtenu dépend de la qualité sur les coordonnées des amers et sur la lecture du goniomètre. Dans la mesure où ces 5 quantités peuvent être entachée de biais et de bruit, on peut déduire le biais et le bruit sur les paramètre du cercle caractérisant la mesure du goniomètre. Au passage indiquons que des amers de qualité métrique et un goniomètre de qualité 1mils, confèrent au cercle goniométrique une qualité sur le centre de la classe d’un GNSS et sur le rayon de la classe d’un télémètre (< 3m pour l’exemple) dans une large plage angulaire (de 40 à 140° pour l’exemple). Pour fixer les idées, la covariance sur les paramètres avec 2 amers séparés d’une base B ayant des erreur identiques sur leur coordonnées quis sont positionnées symétriquement par rapport au système optronique :

Soit une covariance

Ces expressions contractent les notations : ; et

Avec 3 lectures d’angles , et 3 différences angulaires sur 3 amers, la position du système 18 s’obtient au plus proche de l’intersection des 3 cercles ; ceci sans ambiguïté dès lors que le cercle passant par les 3 amers ne passe pas aussi proche de la position du système 18. On résout pour cela simplement le système suivant dans lequel représente une faible quantité intégrant les erreurs de mesure :

Disposant de 3 éléments de référence 12 et donc de 3 des équations précédentes, on peut par exemple prendre la moyenne des 3 équations et la soustraire à chacune d’elle pour trouver la position comme solution d’un système linéaire.

Il est aussi possible d’obtenir la précision sur les coordonnées de la position du système optronique 18 par Analyse de la Moyenne et de la Variance par exemple ; en différentiant l’expression précédente :

Notant les 2 matrices des membres gauche et droit ;et en prenant l’espérance

Où est la covariance bloc diagonale des :

Par ailleurs l’azimut de la lecture zéro du goniomètre s’obtient avec 3 lectures d’angles , sur 3 structure 12 de coordonnées , l’azimut correspondant à la lecture ‘zéro’ du goniomètre, et permettant de le transformer en compas odométrique, s’obtient d’après l’expression :

On peut aussi déterminer directement la position du système optronique au moyen de 3 mesures du goniomètre sur trois éléments de référence (12), par la méthode classique du relèvement sur 3 points utilisant les 3 écarts de mesures angulaire du goniomètre. Dans le cas de 3 objets de référence pour lesquels on dispose de mesure du goniomètre :

On détermine la valeur du gisement du goniomètre afin de le transformer en compas et pouvoir localiser plus finement des objets (14) de la scène (10) par la suite,
On détermine la covariance sur la position approchée au moyen des erreurs sur les objets de référence et les erreurs sur les écarts angulaires du goniomètre afin :
- d’initialiser le calcul de position optimale du système optronique par ajout de mesure sur d’autres éléments de référence (12),
- de mettre en œuvre des mesures d’intégrité entre position issues de différentes modalités du système optronique.

Claims

Procédé de détermination d’au moins une position par un système optronique (18) dans une scène (10), la scène (10) comprenant des éléments de référence (12) de coordonnées géographiques connues, le système optronique (18) comprenant les éléments suivants intégrés dans ledit système optronique (18) :
un imageur numérique (20),

une mémoire (22) dans laquelle est mémorisé, pour au moins chaque élément de référence (12) de la scène (10), un indicateur représentatif dudit point associé aux coordonnées géographiques dudit point,

un élément de visualisation (24) des indicateurs mémorisés dans la mémoire (22),

un module de mesure (26) comprenant au moins un élément choisi parmi : un compas, un goniomètre et un télémètre,

une unité de calcul (28),
le procédé étant mis en œuvre par les éléments intégrés dans le système optronique (18) et comprenant :
une phase de collecte de données relatives à au moins un élément de référence (12) de la scène (10), la phase de collecte comprenant, pour chaque élément de référence (12), les étapes de :

pointage, par l’imageur numérique (20), de l’élément de référence (12) dans la scène (10),

acquisition, par le module de mesure (26), d’au moins une mesure relative à l’élément de référence (12) pointé dans la scène (10) suite à la réception d’une première commande d’acquisition,

pointage, sur l’élément de visualisation (24), parmi les indicateurs mémorisés, d’un indicateur représentatif de l’élément de référence (12) pointé dans la scène (10),

acquisition, par l’unité de calcul (28), des coordonnées géographiques associées à l’indicateur pointé suite à la réception d’une deuxième commande d’acquisition,

mémorisation d’une donnée, dite de référence, comprenant la au moins une mesure acquise et les coordonnées géographiques acquises,

une phase de détermination de la position du système optronique (18) en fonction des données de référence mémorisées pour le au moins un élément de référence (12).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel les indicateurs mémorisés dans la mémoire (22) sont des points géo-référencés sur des données géographiques, les données géographiques comprenant au moins un élément parmi : une ortho-image de la scène (10), un modèle numérique de terrain de la scène (10), une cartographie de la scène (10) et un modèle numérique d’élévation de la scène (10), la mémoire (22) comprenant, de préférence, outre les indicateurs des éléments de référence (12), des indicateurs de tous les points géo-référencés sur les données géographiques.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape de pointage d’un indicateur comprend l’affichage sur l’élément de visualisation (24) :
de l’image de la scène (10) comprenant l’élément de référence (12) pointé par l’imageur numérique (20), et

des indicateurs mémorisés dans la mémoire (22).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la phase de détermination de la position du système optronique (18) comprend la sélection, par l’unité de calcul (28), d’une technique de détermination de positions parmi un ensemble de techniques de détermination de positions en fonction de la nature du ou des éléments du module de mesure (26) ayant acquis la au moins une mesure correspondant à la donnée de référence, la position du système optronique (18) étant déterminée sur la base de la technique de détermination sélectionnée.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque élément du module de mesure (26) est associé à une incertitude de mesure et chaque coordonnée géographique est associée à une incertitude sur ladite coordonnée géographique, la phase de détermination de la position du système optronique (18) comprenant la détermination d’une incertitude sur la position déterminée en fonction des incertitudes correspondantes sur le au moins un élément du module de mesure (26) et sur les coordonnées géographiques.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la phase de détermination de la position du système optronique (18) comprend le calcul d’une position approchée du système optronique (18) en fonction de données de référence mémorisées et le calcul d’une position optimale du système optronique (18) à partir de la position approchée et de l’ensemble des données de référence.
Procédé selon la revendication 6, dans lequel la phase de détermination de la position du système optronique (18) comprend l’évaluation de l’intégrité des données de référence, et la détermination d’une position intègre en fonction des seules données de référence évaluées comme étant intègres, et de la position optimale calculée.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le système optronique (18) comprend un récepteur de géolocalisation et navigation par un système de satellites, dit récepteur GNSS (29), le procédé comprenant une phase de détermination de la position du système optronique (18) par le récepteur GNSS (29), dite position GNSS, et de validation ou non de la position GNSS en fonction d’une position du système optronique (18) déterminée via les données de référence, avantageusement lorsque la position GNSS a été validée, le procédé comprend la fusion de la position GNSS avec la position du système optronique (18) déterminée via les données de référence utilisée pour la comparaison de sorte à obtenir une position définitive pour le système optronique (18).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le module de mesure (26) comprend un goniomètre odométrique ou un compas odométrique, au moins une mesure acquise relative aux éléments de référence (12) étant une mesure d’orientation, l’étape d’acquisition de mesure comprenant :
l’acquisition d’une série d’images de la scène (10), la série d’images comprenant au moins une image de l’élément de référence (12), les images de la série d’images se recouvrant deux à deux, et

la détermination, par le goniomètre odométrique ou le compas odométrique, d’une orientation de l’élément de référence (12) par rapport au système optronique (18) en fonction de la série d’images de la scène (10) acquise.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le procédé comprend une phase de détermination de la position d’un objet (14) de la scène (10) en fonction de la position déterminée du système optronique (18), d’une orientation obtenue de l’objet (14) par rapport au système optronique (18) et d’une distance obtenue entre l’objet (14) et le système optronique (18).
Procédé selon la revendication 10, dans lequel la phase de détermination de la position de l’objet (14) comprend les étapes de :
acquisition d’une série d’images de la scène (10), la série d’images comprenant au moins une image de l’objet (14), les images de la série d’images se recouvrant deux à deux, et

détermination de l’orientation de l’objet (14) par rapport au système optronique (18) en fonction de la série d’images de la scène (10).
Procédé selon la revendication 10, dans lequel le module de mesure (26) du système optronique (18) comprend au moins un compas, l’orientation de l’objet (14) étant obtenue par une mesure acquise par le compas lors d’un pointage de l’objet (14) par l’imageur numérique (20).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel :
au moins un élément du module de mesure (26) du système optronique (18) est un télémètre, la distance entre l’objet (14) et le système optronique (18) étant obtenue par une mesure acquise par le télémètre lors d’un pointage de l’objet (14) par l’imageur numérique (20), ou

la distance entre l’objet (14) et le système optronique (18) est la distance entre la position déterminée du système optronique (18) et l’intersection d’une droite prédéterminée avec le sol d’un modèle numérique de terrain, la droite prédéterminée passant par la position déterminée du système optronique (18) et ayant pour orientation l’orientation obtenue de l’objet (14) par rapport au système optronique (18).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel le système optronique (18) est choisi parmi : une paire de jumelles optroniques et une caméra optronique.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel au moins un élément du module de mesure (26) est un compas magnétique, le procédé comprenant une phase de calibration automatique de la déclinaison, des mesures et du simbleautage du compas magnétique au moyen de mesures acquises pour au moins deux éléments de référence (12), lors du pointage desdits éléments de référence (12) par l’imageur numérique (20).
Système optronique (18) de détermination d’au moins une position par un système optronique (18) dans une scène (10), la scène (10) comprenant des éléments de référence (12) de coordonnées géographiques connues, le système optronique (18) comprenant les éléments suivants intégrés dans ledit système optronique (18) :
un imageur numérique (20),

une mémoire (22) dans laquelle est mémorisé, pour au moins chaque élément de référence (12) de la scène (10), un indicateur représentatif dudit point associé aux coordonnées géographiques dudit point,

un élément de visualisation (24) des indicateurs mémorisés dans la mémoire (22),

un module de mesure (26) comprenant au moins un élément choisi parmi : un compas, un goniomètre et un télémètre,

une unité de calcul (28),
le système optronique (18) étant configuré pour mettre en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 15.