FR3129237A1

FR3129237A1 - Procédé d'acquisition d'images d'un objet spatial en orbite terrestre par un engin spatial en orbite terrestre

Info

Publication number: FR3129237A1
Application number: FR2112045A
Authority: FR
Inventors: Cyrille Tourneur
Original assignee: Airbus Defence and Space SAS
Current assignee: Airbus Defence and Space SAS
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2041-11-17
Also published as: FR3129237B1; EP4205406B8; WO2023089275A1; US12250464B2; EP4205406A1; EP4205406B1; EP4205406C0; US20250024153A1

Abstract

La présente invention concerne un procédé (50) d’acquisition, par un engin spatial (20) en orbite terrestre, d’une image utile d’un objet spatial en orbite terrestre se rapprochant progressivement de l’engin spatial depuis une zone distale amont vers une zone proximale, comportant des étapes de : contrôle (S50) de pointage d’un capteur matriciel de détection pour l’orienter vers l’objet spatial situé dans la zone distale amont,acquisition (S51), par le capteur matriciel de détection, d’une image dite de détection de l’objet spatial situé dans la zone distale amont,détermination (S52) d’informations de suivi de trajectoire en fonction de l’image de détection,contrôle (S53) de pointage d’un capteur matriciel d’acquisition, en fonction d’informations de suivi de trajectoire, pour l’orienter vers l’objet spatial situé dans la zone proximale,acquisition (S54), par le capteur matriciel d’acquisition, d’une image utile de l’objet spatial situé dans la zone proximale. Figure 3.

Description

Procédé d’acquisition d’images d’un objet spatial en orbite terrestre par un engin spatial en orbite terrestre

La présente invention appartient au domaine de l’observation par des engins spatiaux, tels que des satellites, et concerne plus particulièrement un procédé d’acquisition d’images, par un engin spatial en orbite terrestre, représentant un objet spatial en orbite terrestre, ainsi qu’un engin spatial pour la mise en œuvre d’un tel procédé d’acquisition d’images.

Etat de la technique

Dans certaines applications, dites « Space Situation Awareness » ou SSA, il est souhaité pouvoir réaliser des images d’objets spatiaux en orbite terrestre. De telles images peuvent par exemple être utilisées à des fins de renseignement technique sur un objet spatial (par exemple opéré par un tiers ou non opéré dans le cas d’un débris spatial), mais également à des fins d’investigation et d’analyse à la suite d’une anomalie sur cet objet spatial (par exemple pour l’observation de dégâts causés par une micrométéorite, etc.). Les images à acquérir peuvent être des images dans le domaine de longueurs d’ondes visibles, infrarouge, etc.

Un engin spatial, tel qu’un satellite équipé d’un capteur d’images, peut être mis en œuvre pour acquérir ces images de l’objet spatial. L’avantage d’acquérir des images depuis un satellite est notamment qu’il est alors possible d’observer l’objet spatial de plus près que depuis le sol, et donc d’obtenir des images de l’objet spatial de meilleure résolution. Ainsi, un satellite en orbite terrestre, par exemple en orbite défilante basse (« Low Earth Orbit » ou LEO) ou moyenne (« Medium Earth Orbit » ou MEO) peut être utilisé pour acquérir des images d’un objet spatial en orbite LEO ou MEO.

De manière générale, il est souhaitable d’observer l’objet spatial le plus près possible afin d’obtenir la meilleure résolution possible dans les images acquises. Toutefois, le champ de vue du capteur d’images, représentant l’angle solide pouvant être observé simultanément, peut être assez étroit, par exemple inférieur à 1°. Par conséquent, pour pouvoir acquérir une image de l’objet spatial lorsque le satellite se trouve proche de l’objet spatial, il est nécessaire de disposer d’une bonne connaissance des positions et vitesses respectives de l’objet spatial et du satellite. Dans le cas contraire, la probabilité que l’objet spatial ne se trouve pas à l’endroit prévu, et donc qu’il se trouve en dehors du champ de vue du capteur d’images du satellite lors de l’acquisition de l’image, est élevée.

Si l’erreur d’estimation de la position et de la vitesse du satellite imageur peut être rendue négligeable, par exemple grâce à l’utilisation d’un système de navigation embarqué (de type « Global Navigation Satellite System » ou GNSS), ce n’est généralement pas le cas pour l’objet spatial à imager, notamment du fait que l’objet spatial peut ne pas être opéré (par exemple dans le cas d’un débris spatial) ou bien opéré par un tiers non coopératif auprès duquel il n’est pas possible d’obtenir un vecteur d’état précis de l’objet spatial.

Les sources d’erreur d’estimation de la position et de la vitesse de l’objet spatial à imager comprennent notamment :

l’imprécision intrinsèque des paramètres orbitaux à deux lignes (« Two-Line Eléments » ou TLE) publics de l’objet spatial, lorsque ceux-ci sont utilisés pour estimer un vecteur d’état de l’objet spatial, et le fait que le modèle analytique utilisé pour la propagation des TLE (« Simplified General Perturbations Satellite Orbit Model » ou SGP4) est intrinsèquement imprécis,
les incertitudes de propagation entre un instant de dernière mesure du vecteur d’état de l’objet spatial et un instant d’acquisition d’une image de l’objet spatial, dus à une méconnaissance du coefficient de pression de radiation solaire de l’objet spatial ainsi qu’aux incertitudes des modèles de densité atmosphérique et du coefficient balistique de l’objet spatial (pour les objets spatiaux en orbite en LEO),
l’exécution d’une manœuvre de contrôle d’orbite par l’objet spatial entre la date du dernier TLE et la date d’acquisition de l’image, etc.

Ainsi, il existe un besoin pour une solution permettant de réaliser des images le plus proche possible de l’objet spatial, afin d’obtenir la meilleure résolution possible dans les images, tout en limitant la probabilité que l’objet spatial ne se trouve pas dans le champ de vue du capteur d’images du satellite lors des acquisitions.

La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant.

A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé un procédé d’acquisition, par un engin spatial en orbite terrestre, d’une image dite utile d’un objet spatial en orbite terrestre, ledit objet spatial étant visible depuis l’engin spatial sur une trajectoire suivant laquelle l’objet spatial se rapproche progressivement de l’engin spatial depuis une zone distale amont de ladite trajectoire vers une zone proximale de ladite trajectoire dans laquelle une distance entre l’objet spatial et l’engin spatial est minimisée, ledit procédé comportant des étapes de :

contrôle de pointage d’un capteur matriciel de détection de l’engin spatial pour orienter une ligne de visée dudit capteur matriciel de détection vers l’objet spatial lorsque ledit objet spatial est situé dans la zone distale amont,
acquisition, par le capteur matriciel de détection, d’au moins une image dite de détection de l’objet spatial situé dans la zone distale amont,
détermination d’informations de suivi de trajectoire en fonction de l’au moins une image de détection,
contrôle de pointage d’un capteur matriciel d’acquisition, en fonction d’informations de suivi de trajectoire, pour orienter une ligne de visée dudit capteur matriciel d’acquisition vers l’objet spatial lorsque ledit objet spatial est situé dans la zone proximale,
acquisition, par le capteur matriciel d’acquisition, d’au moins une image utile de l’objet spatial situé dans la zone proximale.

Ainsi, l’objet spatial se déplace sur une trajectoire, visible depuis l’engin spatial, selon laquelle ledit objet spatial se rapproche progressivement de l’engin spatial depuis une zone distale amont de ladite trajectoire vers une zone proximale de ladite trajectoire dans laquelle une distance entre l’objet spatial et l’engin spatial est minimisée. Ensuite, la trajectoire comporte également une portion en aval de la trajectoire, qui sort du cadre de la présente divulgation, selon laquelle l’objet spatial s’éloigne progressivement de l’engin spatial jusqu’à ne plus être visible depuis l’engin spatial. Par « visible », on entend ici qu’il existe une ligne optique directe entre l’objet spatial et l’engin spatial (et donc l’objet spatial n’est pas masqué par la Terre), indépendamment de savoir si l’objet spatial se trouve effectivement dans un champ de vue d’un capteur d’images de l’engin spatial.

Ainsi, la zone distale amont correspond à une portion de la trajectoire dans laquelle l’objet spatial est éloigné de l’engin spatial. La zone proximale correspond à une portion de la trajectoire dans laquelle l’objet spatial est proche de l’engin spatial. La zone distale amont et la zone proximale sont distantes l’une de l’autre, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas contigües entre elles (et sont donc séparées par une zone intermédiaire amont non vide de la trajectoire). Il est proposé ici d’acquérir principalement deux types d’images de l’objet spatial sur sa trajectoire au moyen d’au moins un capteur matriciel :

une ou plusieurs images dites de détection, acquises lorsque l’objet spatial se trouve dans la zone distale amont,
une ou plusieurs images dites utiles, acquises lorsque l’objet spatial se trouve dans la zone proximale.

Par convention, le capteur matriciel utilisé pour acquérir les images de détection est dit « de détection » tandis que le capteur matriciel utilisé pour acquérir les images utiles est dit « d’acquisition ». Toutefois, suivant les modes de mise en œuvre considérés, le capteur matriciel de détection et le capteur matriciel d’acquisition peuvent être confondus (un même capteur matriciel réalise l’acquisition des images de détection et des images utiles) ou bien distincts.

Les images utiles sont « utiles » par rapport aux images de détection en ce que l’objet spatial y est représenté avec une meilleure résolution que dans les images de détection, dans la mesure où l’objet spatial est plus proche de l’engin spatial. Les images de détection visent notamment, comme leur nom l’indique, à détecter l’objet spatial (sans chercher à avoir une bonne résolution). En effet, dans la zone distale amont, la distance entre l’objet spatial et l’engin spatial est bien plus importante que dans la zone proximale, et la probabilité que l’objet spatial se trouve dans le champ de vue du capteur matriciel de détection malgré une erreur d’estimation de la position de l’objet spatial est bien plus élevée que dans la zone proximale. Il est donc plus facile d’obtenir dans la zone distale amont une image dans laquelle l’objet spatial est effectivement représenté. Même si l’objet spatial est alors représenté avec une faible résolution (l’objet spatial pouvant être représenté par un seul pixel dans certains cas), les images de détection permettent de déterminer la position et/ou la vitesse de l’objet spatial par rapport à l’engin spatial.

A partir d’une image de détection représentant l’objet spatial, il est possible de déterminer des informations de suivi de trajectoire. Ces informations de suivi de trajectoire permettent de réduire les effets de l’erreur d’estimation de la position et/ou de la vitesse de l’objet spatial par rapport à l’engin spatial. Tout ou partie de ces informations de suivi de guidage peuvent donc être utilisées, directement ou indirectement, pour réduire l’erreur d’estimation de la position et/ou de la vitesse de l’objet spatial lorsqu’il se trouve dans la zone proximale, et donc pour réduire la probabilité que l’objet spatial se trouve en dehors du champ de vue du capteur matriciel d’acquisition lorsque l’objet spatial se trouve dans la zone proximale, malgré la proximité entre l’objet spatial et l’engin spatial. L’acquisition des images utiles lorsque l’objet spatial est proche de l’engin spatial (zone proximale) est donc rendue possible grâce à l’acquisition préalable d’images de détection lorsque l’objet spatial est éloigné (zone distale amont) de l’engin spatial.

L’utilisation d’un capteur matriciel pour l’acquisition des images utiles permet d’avoir directement des images 2D de l’objet spatial et rend plus facile la programmation des acquisitions, en particulier par rapport à un capteur de type « push-broom » et compte tenu des vitesses relatives importantes de l’objet spatial par rapport à l’engin spatial. L’utilisation d’un capteur matriciel pour l’acquisition des images de détection permet d’avoir des images 2D de l’objet spatial dans lesquelles les coordonnées de l’objet spatial dans l’image de détection sont représentatives de la position réelle de l’objet spatial sur son orbite et peuvent être utilisées pour déterminer des informations de suivi de trajectoire permettantin fined’orienter correctement la ligne de visée du capteur matriciel d’acquisition lors de l’acquisition des images utiles.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé d’acquisition peut comporter en outre, de manière optionnelle, l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le capteur matriciel d’acquisition de l’engin spatial est également mis en œuvre pour acquérir des images de zones à la surface de la Terre.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, la ligne de visée du capteur matriciel d’acquisition est fixe en repère engin spatial, et le contrôle de pointage dudit capteur matriciel d’acquisition consiste en un contrôle d’attitude de l’engin spatial.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le capteur matriciel de détection et le capteur matriciel d’acquisition sont un même capteur matriciel, et le procédé d’acquisition comporte :

des acquisitions successives d’images dites de suivi par le capteur matriciel lors du déplacement de l’objet spatial depuis la zone distale amont vers la zone proximale, et de détermination d’informations de suivi de trajectoire associées,
un contrôle de pointage du capteur matriciel lors des acquisitions successives d’images de suivi, en fonction des informations de suivi de trajectoire, pour maintenir l’objet spatial dans un champ de vue dudit capteur matriciel.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé d’acquisition comporte une étape de prédiction, en fonction des informations de suivi de trajectoire, d’une position de l’objet spatial à un instant ultérieur dit « instant de reprise de suivi », et dans lequel le pointage du capteur matriciel d’acquisition est contrôlé pour avoir la ligne de visée dudit capteur matriciel d’acquisition orientée vers la position prédite à l’instant de reprise de suivi.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, la position prédite pour l’instant de reprise de suivi est déterminée au moyen d’un filtre d’estimation (par exemple un filtre de Kalman) et les informations de suivi de trajectoire déterminées pour l’image de détection sont utilisées pour recaler un vecteur d’état (comportant par exemple la position et la vitesse de l’objet spatial) dudit filtre d’estimation.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé d’acquisition comporte, après l’acquisition de l’au moins une image de détection et avant l’acquisition de l’au moins une image utile, une acquisition d’une ou plusieurs images de zones à la surface de la Terre au moyen du capteur matriciel d’acquisition. En effet, l’erreur sur la position prédite de l’objet spatial étant réduite grâce à la prise en compte des informations de suivi de guidage, l’engin spatial peut effectuer d’autres tâches en attendant l’instant de reprise de suivi, y compris acquérir des images de la Terre au moyen du capteur matriciel d’acquisition.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le capteur matriciel de détection est distinct du capteur matriciel d’acquisition. Par exemple, le capteur matriciel de détection peut être un instrument à très grand champ de vue (ne permettant pas d’obtenir des images suffisamment résolues de l’objet spatial dans la zone proximale), dédié à l’acquisition d’images de détection ou bien également mis en œuvre pour réaliser d’autres opérations. Par exemple, le capteur matriciel de détection est un senseur stellaire également mis en œuvre pour estimer l’attitude de l’engin spatial.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le capteur matriciel de détection et le capteur matriciel d’acquisition sont un même capteur matriciel, de préférence également mis en œuvre dans le cadre d’une mission d’observation de la Terre pour acquérir des images de la Terre.

Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le contrôle de pointage pour l’acquisition de l’au moins une image de détection comporte un contrôle de la ligne de visée du capteur matriciel pour orienter successivement ladite ligne de visée vers différentes positions possibles de l’objet spatial dans la zone distale amont de la trajectoire, jusqu’à obtenir l’au moins une image de détection représentant ledit objet spatial.

Suivant un deuxième aspect, il est proposé un engin spatial destiné à être placé en orbite terrestre, comportant :

au moins un capteur matriciel adapté à acquérir des images,
des moyens de contrôle de pointage de l’au moins un capteur matriciel,
un circuit de traitement configuré pour contrôler l’au moins un capteur matriciel et les moyens de contrôle de pointage pour mettre en œuvre un procédé d’acquisition d’image utile selon l’un quelconque des modes de mise en œuvre de la présente divulgation.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’engin spatial peut comporter en outre, de manière optionnelle, l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’au moins un capteur matriciel comporte un capteur matriciel de détection pour l’acquisition d’images de détection et un capteur matriciel d’acquisition pour l’acquisition d’images utiles, ledit capteur matriciel de détection étant distinct du capteur matriciel d’acquisition. Par exemple, le capteur matriciel de détection peut être un instrument à très grand champ de vue, dédié à l’acquisition d’images de détection ou bien également mis en œuvre pour réaliser d’autres opérations. Par exemple, le capteur matriciel de détection est un senseur stellaire également mis en œuvre pour estimer l’attitude de l’engin spatial et le capteur matriciel d’acquisition est également mis en œuvre dans le cadre d’une mission d’observation de la Terre pour acquérir des images de la Terre.

Dans des modes particuliers de réalisation, l’au moins un capteur matriciel comporte un capteur matriciel unique pour l’acquisition des images de détection et pour l’acquisition des images utiles. De préférence, ce capteur matriciel est également mis en œuvre dans le cadre d’une mission d’observation de la Terre pour acquérir des images de la Terre.

Présentation des figures

L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures qui représentent :

: une représentation schématique d’un engin spatial et d’un objet spatial en orbite terrestre,
: une courbe représentant différentes zones d’une trajectoire de l’objet spatial par rapport à l’engin spatial,
: un diagramme représentant les principales étapes d’un procédé d’acquisition d’image utile,
: un diagramme représentant un premier mode de mise en œuvre d’un procédé d’acquisition,
: une représentation schématique du déroulement au cours du temps du procédé d’acquisition de la ,
: un diagramme représentant un deuxième mode de mise en œuvre d’un procédé d’acquisition,
: une représentation schématique du déroulement au cours du temps du procédé d’acquisition de la ,
: une représentation schématique du déroulement au cours du temps d’une variante de mise en œuvre du procédé d’acquisition de la ,
: une représentation schématique d’un premier exemple de réalisation d’un satellite pour la mise en œuvre d’un procédé d’acquisition,
: une représentation schématique d’un deuxième exemple de réalisation d’un satellite pour la mise en œuvre d’un procédé d’acquisition.

Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas à l’échelle, sauf mention contraire.

Claims

Procédé (50) d’acquisition, par un engin spatial (20) en orbite terrestre, d’une image dite utile d’un objet spatial en orbite terrestre, ledit objet spatial étant visible depuis l’engin spatial sur une trajectoire suivant laquelle l’objet spatial se rapproche progressivement de l’engin spatial depuis une zone distale amont de ladite trajectoire vers une zone proximale de ladite trajectoire dans laquelle une distance entre l’objet spatial et l’engin spatial est minimisée, ledit procédé comportant des étapes de :
contrôle (S50) de pointage d’un capteur matriciel de détection (40, 41) de l’engin spatial (20) pour orienter une ligne de visée dudit capteur matriciel de détection vers l’objet spatial lorsque ledit objet spatial est situé dans la zone distale amont,

acquisition (S51), par le capteur matriciel de détection, d’au moins une image dite de détection de l’objet spatial situé dans la zone distale amont,

détermination (S52) d’informations de suivi de trajectoire en fonction de l’au moins une image de détection,

contrôle (S53) de pointage d’un capteur matriciel d’acquisition (40), en fonction d’informations de suivi de trajectoire, pour orienter une ligne de visée dudit capteur matriciel d’acquisition vers l’objet spatial lorsque ledit objet spatial est situé dans la zone proximale,

acquisition (S54), par le capteur matriciel d’acquisition, d’au moins une image utile de l’objet spatial situé dans la zone proximale.
Procédé (50) selon la revendication 1, dans lequel le capteur matriciel d’acquisition de l’engin spatial (20) est également mis en œuvre pour acquérir des images de zones à la surface de la Terre (80).
Procédé (50) selon la revendication 2, dans lequel la ligne de visée du capteur matriciel d’acquisition est fixe en repère engin spatial, et le contrôle de pointage dudit capteur matriciel d’acquisition consiste en un contrôle d’attitude de l’engin spatial (20).
Procédé (50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le capteur matriciel de détection et le capteur matriciel d’acquisition sont un même capteur matriciel (40), ledit procédé comportant :
des acquisitions successives d’images dites de suivi par le capteur matriciel (40) lors du déplacement de l’objet spatial depuis la zone distale amont vers la zone proximale, et de détermination d’informations de suivi de trajectoire associées,

un contrôle de pointage du capteur matriciel (40) lors des acquisitions successives d’images de suivi, en fonction des informations de suivi de trajectoire, pour maintenir l’objet spatial dans un champ de vue dudit capteur matriciel.
Procédé (50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comportant une étape (S57) de prédiction, en fonction des informations de suivi de trajectoire, d’une position de l’objet spatial à un instant ultérieur dit « instant de reprise de suivi », et dans lequel le pointage du capteur matriciel d’acquisition est contrôlé pour avoir la ligne de visée dudit capteur matriciel d’acquisition orientée vers la position prédite à l’instant de reprise de suivi.
Procédé (50) selon la revendication 5, dans lequel la position prédite pour l’instant de reprise de suivi est déterminée au moyen d’un filtre d’estimation et les informations de suivi de trajectoire déterminées pour l’image de détection sont utilisées pour recaler un vecteur d’état du filtre d’estimation.
Procédé (50) selon l’une quelconque des revendications 5 à 6, comportant, après l’acquisition de l’au moins une image de détection et avant l’acquisition de l’au moins une image utile, une acquisition d’une ou plusieurs images de zones à la surface de la Terre (80) au moyen du capteur matriciel d’acquisition.
Procédé (50) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le capteur matriciel de détection est distinct du capteur matriciel d’acquisition.
Procédé (50) selon la revendication 8, dans lequel le capteur matriciel de détection est un senseur stellaire également mis en œuvre pour estimer l’attitude de l’engin spatial.
Procédé (50) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le capteur matriciel de détection et le capteur matriciel d’acquisition sont un même capteur matriciel (40).
Procédé (50) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le contrôle de pointage pour l’acquisition de l’au moins une image de détection comporte un contrôle de la ligne de visée du capteur matriciel pour orienter successivement ladite ligne de visée vers différentes positions possibles de l’objet spatial dans la zone distale amont de la trajectoire, jusqu’à obtenir l’au moins une image de détection représentant ledit objet spatial.
Engin spatial (20) destiné à être placé en orbite terrestre, comportant :
au moins un capteur matriciel (40, 41) adapté à acquérir des images,
des moyens de contrôle de pointage de l’au moins un capteur matriciel,

un circuit de traitement configuré pour contrôler l’au moins un capteur matriciel et les moyens de contrôle de pointage pour mettre en œuvre un procédé (50) d’acquisition d’image utile selon l’une quelconque des revendications précédentes.
Engin spatial (20) selon la revendication 12, dans lequel l’au moins un capteur matriciel comporte un capteur matriciel de détection (41) pour l’acquisition d’images de détection et un capteur matriciel d’acquisition (40) pour l’acquisition d’images utiles, ledit capteur matriciel de détection étant distinct du capteur matriciel d’acquisition.
Engin spatial (20) selon la revendication 13, dans lequel le capteur matriciel de détection (41) est un senseur stellaire également mis en œuvre pour estimer l’attitude de l’engin spatial.
Engin spatial (20) selon la revendication 12, dans lequel l’au moins un capteur matriciel comporte un capteur matriciel (40) unique pour l’acquisition des images de détection et pour l’acquisition des images utiles.