WO2014140129A1 - Procédé de mesure de la direction d'une ligne de visée d'un dispositif d'imagerie - Google Patents

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WO2014140129A1
WO2014140129A1 PCT/EP2014/054887 EP2014054887W WO2014140129A1 WO 2014140129 A1 WO2014140129 A1 WO 2014140129A1 EP 2014054887 W EP2014054887 W EP 2014054887W WO 2014140129 A1 WO2014140129 A1 WO 2014140129A1
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WO
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imaging device
sight
line
sensor
super
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/054887
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Christian Buil
Jean-Marc Delvit
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Centre National D'etudes Spatiales
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means
    • G01C21/025—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means with the use of startrackers
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10032—Satellite or aerial image; Remote sensing
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30181—Earth observation

Definitions

  • the invention relates to the measurement of the direction of a line of sight of an imaging device, for example mounted in a satellite.
  • the invention also relates to applications for measuring such a line of sight: measurement of mechanical vibrations, processing of images taken by the imaging device and control of the satellite attitude, geolocation of the images taken by the satellite.
  • These satellites often have an imaging device for observing the Earth as well as stellar sensors to control the attitude of the satellite and therefore the line of sight of the imaging device.
  • the measurement of the direction of a line of sight (pointing) of an imaging device in orbit is therefore traditionally based on a stellar repository, observed via one or more dedicated stellar sensor (s). .
  • This type of stellar sensor is one of the components of the Attitude and Orbit Control System (SCAO) that allows to control the attitude of the satellite in real time.
  • SCAO Attitude and Orbit Control System
  • Stellar sensors are electronic cameras, consisting of an optical objective and a matrix sensor, whose purpose is to take images of areas of the sky. After analysis of this stellar field, in association with a catalog of stars, it is then possible to evaluate the orientation of the satellite in absolute value in a stellar and then terrestrial reference and thus to measure the direction of the line of sight of the imaging device.
  • the sensors are often physically mechanically linked to the main structure carrying the primary mirror of the main mirror in the case of a telescope.
  • the requirement for location accuracy of the imaging device's line of sight increases with the spatial resolution of last. For example, for a device on board a satellite in low orbit (typically 800 km) having a ground resolution of a few tens of centimeters, the location request of the scene taken can result in an angular restitution of the line of sight of the order of the microradian.
  • levers to reduce the mass can have the effect of reducing the rigidity of the angular coupling of the telescope and the stellar sensors, thus increasing the uncertainty of the SCAO system for the line of sight.
  • the invention proposes to overcome at least one of these disadvantages.
  • the invention proposes a method for measuring the direction of a line of sight of an imaging device of an imaging assembly comprising the imaging device adapted to point towards a target zone along said line of sight.
  • the imaging unit comprising at least one super-sensor coupled to said imaging device, the super-sensor comprising a first head adapted for imaging the target area along a first line of sight in the same direction as the direction of the line of sight of the imaging device; a second head adapted for taking images of stars along a second line of sight, the first and second heads being oriented relative to one another at a predetermined angular offset, the method comprising steps of
  • the acquisition of the second image is performed according to an angular field greater than the angular field in which the first image is acquired;
  • the angular resolution of the first head of the super-sensor is one to two orders of magnitude smaller than that of the imaging device
  • the determination step is a numerical correlation between the first and second images.
  • a method for measuring dynamic and static deformations of an imaging device includes a step of deriving the angular offset from the direction of the line of sight of the imaging device relative to the second head obtained by means of the method according to the first aspect of the invention, vibrations experienced by the imaging device or static thermoelastic deformations of this device.
  • the invention relates to a method for locating an acquired image by means of an imaging device comprising a step of deriving from the angular offset of the direction of the line of sight of the imaging device by relative to the second head obtained by means of the method according to the first aspect of the invention, the location of the image in an absolute reference frame.
  • the invention relates to a super-sensor adapted to be coupled to an imaging device adapted to point towards a target zone along a line of sight, the sensor comprising
  • a first head adapted for taking the image of the target zone in a first direction of view in the same direction as the direction of the line of sight;
  • a second head adapted for taking images of stars in a second direction of view
  • the first and second heads being coupled to each other at a predetermined angular offset, the coupling being such that said predetermined angular offset is constant regardless of a displacement of said super-sensor, said super-sensor being adapted to be in the context of a method according to the first aspect of the invention.
  • the super-sensor according to the fourth aspect of the invention comprises a plate on which are mounted the first and second optical heads, the first and second heads being rigidly coupled to each other.
  • the invention relates to an imaging assembly comprising:
  • an imaging device adapted to point towards a target zone along a line of sight
  • a super-sensor according to the fourth aspect of the invention coupled to coupled to said imaging device.
  • the invention relates to a satellite comprising an imaging unit according to the fifth aspect of the invention.
  • the invention thus rests on a double attachment: the angular attachment between the aiming direction of the second optical head adapted for taking star images and a direction of view of the first optical head adapted to point in the same direction as the imaging device by an optimized coupling; and
  • the invention makes it possible to de-constrain the interface requirements between the main imaging device and the super-sensor comprising the first and second optical heads.
  • the latter can be coupled in a "flexible" manner with respect to the imaging device, which makes it possible to design imaging assemblies (including telescopes) with lightened structure and / or assets while making it possible to geolocate the acquired images with high precision. for a modest cost.
  • the invention makes it possible to remove the lock of sight line (bias) errors in active optics systems, which can not be restored by traditional SCAO.
  • FIG. 1 illustrates a satellite according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 illustrates an imaging unit according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 schematically illustrates embodiments of a method according to the invention
  • FIG. 4 schematically illustrates images acquired during a process of the invention
  • FIG. 1 shows a satellite 1 comprising an imager assembly comprising an imaging device 2 and at least a super-sensor 3 (in this figure two super-sensors 3 are illustrated, but one skilled in the art can understand that one may consider a higher number of super-sensors or a single super-sensor 3).
  • super-sensor 3 a set consisting of two sensors, one of which is a stellar sensor.
  • the imaging device 2 has a line of sight 4 corresponding to a direction in the space towards which the device 2 points and constitutes a reference line of the device for characterizing its pointing direction.
  • the imaging device 2 is suitable for taking images of a target area including images of the Earth.
  • the super-sensor 3 is coupled to the imaging device 2 via a link 5.
  • the link 5 is a semi-rigid link (i.e. a link which does not need to to be rigid).
  • FIG. 2 illustrates an imaging assembly comprising an imaging device 2 and a super-sensor 3.
  • the super-sensor 3 comprises a first optical head 31 and a second optical head 32.
  • the first optical head 31 comprises a first aiming direction 310 and the second optical head 32 comprises a second aiming direction 320.
  • the first optical head 31 is adapted for taking images in the same direction as the direction of the line of sight 4 of the imaging device 2.
  • the first optical head 31 is in particular adapted for terrestrial imaging. in the case where the imaging device 2 points to the Earth, it is called the Earth sensor.
  • the second optical head 32 is adapted for taking star images 7 (stellar sensor).
  • the first and second heads 31, 32 are coupled to each other in an orientation a.
  • the sighting directions of each of the heads are arranged relative to each other according to a predetermined angular offset a.
  • the first and second heads 31, 32 are coupled to each other so that the predetermined angular offset ⁇ is always constant regardless of the motion of the imaging device 2 while the coupling of the super-sensor 3 with the imaging device 2 is such that we can tolerate a relative movement of the super-sensor 3 with respect to the imaging device 2.
  • the first and second heads 31, 32 are mounted on a plate 6 which gives a super-rigid connection between the first head 31 and the second head 32 while the connection 5 of the super-sensor 3 with the imaging device 2 is not super-rigid.
  • the term "superrigid connection” means an angular connection which does not allow any angular variation between the first head 31 and the second head 32 which is of a level greater than a simple mechanical connection.
  • the plate 6 is chosen to confer a super-rigid connection between the first and second heads 31, 32.
  • the imaging device 2, the first and second heads 31, 32 of the super-sensor 3 are connected to a processing unit 40 configured to implement various processing of the images acquired by the imaging device 2 and the optical heads. 31, 32 of the super-sensor 3 as will be detailed below.
  • the processing unit 40 can be embarked on board the imaging unit or be located in a ground treatment station (not shown).
  • FIG. 3 shows a method for measuring the direction of the line of sight of the imaging device according to one embodiment of the invention. Such a method is implemented in the processing unit 40.
  • the method for measuring the direction of the line of sight of the imaging device 2 comprises, in a first step E1, the acquisition of a first image of the target area by means of the imaging device 2.
  • a second image is acquired by means of the first head.
  • This second image is an image of the target area.
  • a correlation operation is carried out between the first image and the second image in order to obtain at least one offset between the two images in order to deduce a relative angular displacement between the line of sight 4 of the image.
  • the offset (s) between the first and second images is for example representative of a yaw and / or pitch and / or roll movement between the imaging device and the first head 31 of the super-sensor 3.
  • the second optical head 32 is adapted for taking star images 7, comparing in a fifth step E5 with a catalog of stars, stored in a memory 41 of the processing unit 40, the image stars makes it possible to deduce the direction of the line of sight of the imaging device 2 in a fixed reference frame whose position is known.
  • the acquisition E1 of the second image is performed according to an angular field greater than the angular field in which the first image is acquired E2 so that the image acquired by the imaging device is included in the image acquired by the first sensor head 3.
  • FIG. 4 shows the image 11 acquired by the imaging device 2 and the image 12 acquired by the first optical head 31 of the super-sensor 3.
  • the first optical head 31 of the super-sensor 3 is a camera that makes it possible to acquire an instantaneous matrix image (in English, "snapshot") of the target zone, for example the Earth, with an instantaneous angular coverage close to the angular field.
  • the angular resolution of the first head 31 of the super-sensor 3 is one to two orders of magnitude smaller than that of the imaging device 2. In this way, the first optical head 31 can be a compact camera and therefore of small size which allows to lighten the structure of the super-sensor 3.
  • the first optical head 31 of the super-sensor 3 acts as a system for monitoring the imaging by the imaging device 2.
  • the first optical head is chosen so that the angular resolution of the first optical head is between 10 and 100 times less than the angular resolution of the imaging device 2.
  • the first optical head is chosen so that the sampling pitch of the first optical head is 10 m with a FTM at fe / 2 of the order of 0.1 and a focal length of 385. mm with 5.5 micron pixels and an angular field of 40 km.
  • the second optical head is selected as a conventional stellar sensor whose proper angular accuracy is chosen according to the mission.
  • This method comprises in particular a step of deducing from the orientation of the direction of the line of sight of the imaging device with respect to the second head obtained by means of the measurement method of the direction of the line of sight of the imaging device 2 above describes distortions, temporal and instrumental (ie geometric and / or optical) experienced by the imaging device, such as vibrations.
  • a first step called "setting geometry" of a method for measuring the mechanical vibrations of an imaging device the image acquired by the first optical head is chosen as a reference, an image of the mission is then called a second image that we will want to superimpose on the reference image (in the geometric sense).
  • Geometric models of the reference image and the secondary image are then used, in order to exploit all the knowledge delivered by the system (existing attitudes, mapping of the existing focal plane, etc.).
  • the reference and secondary images are then almost superimposable. The only differences arise from a residual bias between the imaging device and the Earth sensor, lack of awareness of the focal plane and residual attitude errors (not restituted by the Attitude and Orbital Control System SCAO). .
  • the secondary image and the reference image are correlated.
  • Roll and pitch attitude biases result in average column and line offsets of the gap sheet.
  • Yaw bias results in a slope on the average line offsets line.
  • Magnification results in a slope on the average line of column offsets.
  • the lines of the resulting disparity sheet comprise information on the mapping of the focal plane of the imaging device, while the columns of the disparity sheet correspond to information relating to the attitude residues of the imaging device not restored by the SCAO.
  • a method for measuring the mechanical vibrations of an imaging device is estimated the mapping of the focal plane and possibly the attitude residues of each shot of the device. imaging.
  • an average line and an average column are calculated on the disparity sheet resulting from the "dense correlation" step.
  • the method measures vibrations mechanical means of an imaging device thus comprises averaging a row and a column of the matrix obtained by correlating the reference image and the secondary image to estimate the offset of the direction of view of a sensor parallel and perpendicular to the trace of the imaging device for the line and an attitude residue for the column.
  • offsets of the aiming directions of the sensors of the array can then be modeled as polynomials, for example by implementing a least-squares adjustment.
  • a spatiotriangulation is implemented between the first optical head (considered as the reference) and the imaging device.
  • This spatiotriangulation allows from a set of homologous points to determine at least the relative biases between the mission marker and the reference of the second optical head that is to say the earth sensor and therefore the star sensor.
  • This method notably comprises a step E6 consisting in deducing from the orientation of the direction of the line of sight of the imaging device with respect to the second head obtained by means of the measurement method of the direction of the line of sight of the imaging device 2 described above, the location of the image in an absolute reference since depending on the position of the stars.
  • the average reference of the stellar sensors can be improved by using geometric models of the Earth sensor linked to the stellar sensor.
  • Each of the earth sensors sees the same landscape on the ground, so we can refine all the physical models of Earth sensors and determine the optimal landmarks of these sensors land (and thus stellar sensors) to each shot.
  • the physical model of these Earth sensors is imperfect, because of the inaccuracy of the k shooting parameters provided by the system including bias - a bias in roll, pitch and yaw is systematically estimated.
  • connection points which are unknown planimetric coordinate points but known image coordinates on at least two images (even terrain detail seen on several images); these points are used when we recale multiple images simultaneously, they allow to ensure the relative registration between these images.
  • the idea is to calculate homologous points between all the images coming from all the earth sensors of the imaging unit.
  • the homologous points make it possible to establish the following equations: for a point homologous j of image coordinates "i'Vi) on the image 1, image coordinates (P j ) on the image 2 and terrain altitude hj (this altitude is optional it will be estimated):

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure de la direction d'une ligne de visée d'un dispositif d'imagerie d'un ensemble imageur comprenant le dispositif d'imagerie adapté pour pointer vers une zone cible selon ladite ligne de visée, l'ensemble imageur comprenant au moins un super-senseur couplé audit dispositif d'imagerie, le super-senseur comprenant une première tête adaptée pour la prise d'image de la zone cible selon une première ligne de visée dans la même direction que la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie; une seconde tête adaptée pour la prise d'images d'étoiles selon une seconde ligne de visée, les première et seconde têtes étant orientées l'une par rapport à l'autre selon un décalage angulaire prédéterminé, le procédé comprenant des étapes consistant à - acquérir une première image au moyen du dispositif d'imagerie; - acquérir une seconde image au moyen de la première tête; - déterminer au moins un décalage entre les première et seconde images afin d'obtenir un décalage angulaire relatif entre la ligne de visée du dispositif d'imagerie et la première ligne de visée; - déduire du décalage angulaire prédéterminé entre les première et seconde têtes et du décalage angulaire relatif entre la ligne de visée du dispositif d'imagerie et la première ligne de visée le décalage angulaire de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête.

Description

Procédé de mesure de la direction d'une ligne de visée d'un dispositif d'imagerie
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne la mesure de la direction d'une ligne de visée d'un dispositif d'imagerie, par exemple monté dans un satellite.
L'invention concerne également des applications quant à la mesure d'une telle ligne de visée : mesure des vibrations mécaniques, traitement d'images prises par le dispositif d'imagerie et contrôle de l'attitude du satellite, géolocalisation des images prisent par le satellite.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine spatial, il est connu de contrôler l'attitude des satellites, c'est-à-dire l'orientation des axes du satellite par rapport à un trièdre de référence.
Ces satellites embarquent souvent un dispositif d'imagerie pour notamment observer la Terre ainsi que des senseurs stellaires pour contrôler l'attitude du satellite et donc la ligne de visée du dispositif d'imagerie.
La mesure de la direction d'une ligne de visée (pointage) d'un dispositif d'imagerie en orbite s'appuie donc traditionnellement sur un référentiel stellaire, observé via un ou plusieurs senseur(s) stellaire(s) dédié(s).
Ce type de senseur stellaire est une des composantes du Système de Contrôle d'Attitude et d'Orbite (SCAO) qui permet de contrôler l'attitude du satellite en temps réel.
Les senseurs stellaires sont des caméras électroniques, constituées d'un objectif optique et d'un capteur matriciel, dont le but de prendre des images de zones du ciel. Après analyse de ce champ stellaire, en association avec un catalogue d'étoiles, il est alors possible d'évaluer l'orientation du satellite en valeur absolue dans un référentiel stellaire, puis terrestre et donc de mesurer la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie.
Plusieurs senseurs sont souvent associés pour accroître la précision ou pour permettre de connaître l'attitude à tout moment alors qu'un des senseurs peut être inopérant, par exemple en étant ébloui par le Soleil. La précision du senseur stellaire est d'une part liée à sa performance intrinsèque (optimisation de la conception, qualité des algorithmes de traitement des images) mais aussi à la manière dont il est couplé avec le dispositif d'imagerie.
En outre, il est très important que la liaison mécanique entre les senseur(s) stellaires et le dispositif d'imagerie soit conçue pour que les informations données par le SCAO s'appliquent effectivement à la direction de la ligne de visée réelle du dispositif d'imagerie.
Pour ce faire, les senseurs sont souvent physiquement liés mécaniquement à la structure principale portant le miroir primaire du miroir principal dans le cas d'un télescope.
L'exigence en précision de localisation de l'axe de visée du dispositif d'imagerie augmente avec la résolution spatiale de dernier. Par exemple, pour un dispositif embarqué sur un satellite en orbite basse (typiquement 800 km) ayant une résolution au sol de quelques dizaines de centimètres, la demande de localisation de la scène prise peut se traduire par une restitution angulaire de la ligne de visée de l'ordre du microradian.
En outre, la tendance actuelle est aussi d'exploiter de très gros télescopes d'observations, dont le miroir principal peut avoir une taille métrique en diamètre. La masse embarquée sur un satellite étant limitée, la structure mécanique de ces télescopes est étudiée pour optimiser ce poste. De même, les miroirs sont souvent conçus pour être fortement allégés et associés avec des systèmes de corrections actifs de la surface d'onde.
Ces leviers pour réduire la masse, peuvent avoir pour effet de diminuer la rigidité du couplage angulaire du télescope et des senseurs stellaires, ce donc d'accroître l'incertitude du système SCAO pour la ligne de visée.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients.
L'invention propose selon un premier aspect un procédé de mesure de la direction d'une ligne de visée d'un dispositif d'imagerie d'un ensemble imageur comprenant le dispositif d'imagerie adapté pour pointer vers une zone cible selon ladite ligne de visée, l'ensemble imageur comprenant au moins un super-senseur couplé audit dispositif d'imagerie, le super-senseur comprenant une première tête adaptée pour la prise d'image de la zone cible selon une première ligne de visée dans la même direction que la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie ; une seconde tête adaptée pour la prise d'images d'étoiles selon une seconde ligne de visée, les première et seconde têtes étant orientées l'une par rapport à l'autre selon un décalage angulaire prédéterminé, le procédé comprenant des étapes consistant à
- acquérir une première image au moyen du dispositif d'imagerie ;
- acquérir une seconde image au moyen de la première tête ;
- déterminer au moins un décalage entre les première et seconde images afin d'obtenir un décalage angulaire relatif entre la ligne de visée du dispositif d'imagerie et la première ligne de visée ;
- déduire du décalage angulaire prédéterminé entre les première et seconde têtes et du décalage angulaire relatif entre la ligne de visée du dispositif d'imagerie et la première ligne de visée le décalage angulaire de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
- l'acquisition de la seconde image est effectuée selon un champ angulaire supérieur au champ angulaire selon lequel la première image est acquise ;
- la résolution angulaire de la première tête du super-senseur est inférieure de un à deux ordres de grandeurs relativement à celle du dispositif d'imagerie ;
- les étapes d'acquisitions des première et seconde images sont mises en œuvres simultanément ;
- l'étape de détermination est une corrélation numérique entre les première et seconde images.
L'invention concerne selon un second aspect, un procédé de mesure de déformations dynamiques et statiques d'un dispositif d'imagerie comprenant une étape consistant à déduire du décalage angulaire de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête obtenue par l'intermédiaire du procédé selon le premier aspect de l'invention, des vibrations subies par le dispositif d'imagerie ou des déformations thermo-élastiques statiques de ce dispositif.
L'invention concerne selon un troisième aspect, un procédé de localisation d'une image acquise au moyen d'un dispositif d'imagerie comprenant une étape consistant à déduire du décalage angulaire de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête obtenue par l'intermédiaire du procédé selon le premier aspect de l'invention, la localisation de l'image dans un référentiel absolu.
L'invention concerne selon un quatrième aspect, un super-senseur adapté pour être couplé à un dispositif d'imagerie adapté pour pointer vers une zone cible selon une ligne de visée, le senseur comprenant
- une première tête adaptée pour la prise d'image de la zone cible selon une première direction de visée dans la même direction que la direction de la ligne de visée ;
- une seconde tête adaptée pour la prise d'images d'étoiles selon une seconde direction de visée ;
les première et seconde têtes étant couplées l'une à l'autre selon un décalage angulaire prédéterminé le couplage étant tel que ledit décalage angulaire prédéterminé soit constant indépendamment d'un déplacement dudit super- senseur, ledit super-senseur étant adapté pour être mis en œuvre dans le cadre d'un procédé selon le premier aspect de l'invention.
Le super-senseur selon le quatrième aspect de l'invention comprend une platine sur laquelle sont montées les première et seconde têtes optiques, les première et seconde têtes étant couplées rigidement l'une à l'autre.
L'invention concerne selon un cinquième aspect, un ensemble imageur comprenant :
- un dispositif d'imagerie adapté pour pointer vers une zone cible selon une ligne de visée ;
- un super-senseur selon le quatrième aspect de l'invention couplé au couplé audit dispositif d'imagerie.
L'invention concerne selon un sixième aspect un satellite comprenant un ensemble imageur selon le cinquième aspect de l'invention.
L'invention repose ainsi sur un double rattachement : le rattachement angulaire entre la direction de visée de la seconde tête optique adaptée pour la prise d'images étoiles et une direction de visée de la première tête optique adaptée pour pointer dans la même direction que le dispositif d'imagerie par un couplage optimisé ; et
- le rattachement entre la direction de visée de première tête optique et du dispositif d'imagerie au travers d'une opération de corrélation via un algorithme optimisé.
En fusionnant ces deux rattachements élémentaires, le rattachement entre la direction visée du dispositif d'imagerie et le système absolue stellaire est assuré. Cette fonction est garantie même si le super-senseur et le dispositif d'imagerie ne sont pas liés de manière super-rigide, ce qui autorise l'usage de structure et interfaces allégés et/ou la mise en œuvre des techniques de l'optique active.
L'invention permet de dé-contraindre les exigences d'interface entre le dispositif d'imagerie principal et le super-senseur comprenant les première et seconde têtes optiques. Ainsi, ces derniers peuvent être couplés de manière « souple » par rapport au dispositif d'imagerie ce qui permet de concevoir des ensembles imageurs (des télescopes notamment) à structure allégée et/ou actifs tout en rendant possible la géolocalisation haute précision des images acquises pour un coût modeste.
En outre, l'invention permet de lever le verrou des erreurs de lignes de visées (biais) dans les systèmes à optique active, non restituable par le SCAO traditionnel. PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre un satellite selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre un ensemble imageur selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 illustre schématiquement des modes de réalisation d'un procédé selon l'invention ; - la figure 4 illustre schématiquement des d'images acquises au cours d'un procédé de l'invention ;
Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On a illustré sur la figure 1 un satellite 1 comprenant ensemble imageur comprenant un dispositif d'imagerie 2 et au moins super-senseur 3 (sur cette figure deux super-senseurs 3 sont illustrés mais l'homme du métier peut comprendre que l'on peut envisager un nombre plus élevé de super-senseurs ou bien un seul super-senseur 3).
On précise ici que l'on entend par super-senseur 3 un ensemble composé de deux senseurs dont l'un est un senseur stellaire.
Le dispositif d'imagerie 2 présente une ligne de visée 4 correspondant à une direction dans l'espace vers laquelle le dispositif 2 pointe et constitue une ligne de référence du dispositif pour caractériser sa direction de pointage.
Le dispositif d'imagerie 2 est adapté pour la prise d'images d'une zone cible notamment d'images de la Terre.
Le super-senseur 3 est couplé au dispositif d'imagerie 2 par l'intermédiaire d'une liaison 5. La liaison 5 est une liaison semi-rigide (c'est-à-dire une liaison qui n'a pas besoin d'être rigide).
On a illustré sur la figure 2 un ensemble imageur comprenant un dispositif d'imagerie 2 et un super-senseur 3.
Le super-senseur 3 comprend une première tête optique 31 et une seconde tête optique 32. La première tête optique 31 comprend une première direction de visée 310 et la seconde tête optique 32 comprend une seconde direction de visée 320.
La première tête optique 31 est adaptée pour la prise d'images dans la même direction que la direction de la ligne de visée 4 du dispositif d'imagerie 2. Ainsi la première tête optique 31 est en particulier adaptée pour la prise d'image Terre dans le cas où le dispositif d'imagerie 2 pointe vers la Terre on parle alors de senseur Terre. La seconde tête optique 32 est adaptée pour la prise d'images étoiles 7 (senseur stellaire).
Les première et seconde têtes 31 , 32 sont couplées l'une à l'autre selon une orientation a. En d'autres termes, les directions de visée de chacune des têtes sont disposées l'une par rapport à l'autre selon un décalage angulaire prédéterminé a.
De manière avantageuse, les première et seconde têtes 31 , 32 sont couplées l'une à l'autre de sorte que le décalage angulaire prédéterminé a soit toujours constant indépendamment du mouvement du dispositif d'imagerie 2 tandis que le couplage du super-senseur 3 avec le dispositif d'imagerie 2 est tel que l'on peut tolérer un mouvement relatif du super-senseur 3 par rapport au dispositif d'imagerie 2.
De préférence, les première et seconde têtes 31 , 32 sont montées sur une platine 6 qui confère une liaison super-rigide entre la première tête 31 et la seconde tête 32 tandis que la liaison 5 du super-senseur 3 avec le dispositif d'imagerie 2 est non super-rigide. On précise que l'on entend par « liaison superrigide » une liaison angulaire qui n'autorise aucune variation angulaire entre la première tête 31 et la seconde tête 32 ce qui est d'un niveau supérieur à une simple liaison mécanique.
La platine 6 est choisie pour conférer une liaison super-rigide entre les première et seconde têtes 31 , 32.
Le dispositif d'imagerie 2, les première et seconde têtes 31 , 32 du super- senseur 3 sont en liaisons avec une unité de traitement 40 configurée pour mettre en œuvre divers traitement des images acquises par le dispositif d'imagerie 2 et les têtes optiques 31 , 32 du super-senseur 3 comme on le détaillera ci-après.
L'unité de traitement 40 peut être embarquée à bord de l'ensemble imageur ou bien être située dans une station de traitement au sol (non représentée).
Par l'intermédiaire du super-senseur 3 couplé au dispositif d'imagerie 2 il est possible de mesurer la direction de la ligne de visée 3 du dispositif d'imagerie 2 selon un procédé ci-dessous décrit. On a illustré sur la figure 3 un procédé de mesure de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie conforme à un mode de réalisation de l'invention. Un tel procédé est mis en œuvre dans l'unité de traitement 40.
Le procédé de mesure de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie 2 comprend dans une première étape E1 , l'acquisition d'une première image de la zone cible au moyen du dispositif d'imagerie 2.
Dans une seconde étape E2, on acquiert une seconde image au moyen de la première tête. Cette seconde image est une image de la zone cible.
Dans une troisième étape E3, on met en œuvre une opération de corrélation entre la première image et la seconde image afin d'obtenir au moins un décalage entre les deux images pour en déduire un décalage angulaire relatif a' entre la ligne de visée 4 du dispositif d'imagerie 2 et la première direction de visée 310 de la première tête optique 31 du super-senseur 3.
Le ou les décalage(s) entre les première et seconde images est par exemple représentatif d'un mouvement de lacet et/ou tangage et/ou roulis entre le dispositif d'imagerie et la première tête 31 du super-senseur 3.
A l'issue de la troisième étape E3 on dispose d'une part du décalage angulaire a prédéterminé entre les première et seconde têtes optiques 31 , 32 du super-senseur 3 et d'autre part du décalage angulaire a' entre la ligne de visée 4 du dispositif d'imagerie 2 et de la première direction de visée 310 de la première tête optique 31.
Par conséquent grâce à ces deux décalages on peut déduire dans une quatrième étape E4 le décalage relatif entre la seconde direction de visée 320 de la seconde tête optique 32 du super-senseur 3 et de la direction de la ligne de visée 4 du dispositif d'imagerie 2.
Ainsi, comme la deuxième tête optique 32 est adaptée pour la prise d'images étoiles 7, en comparant dans une cinquième étape E5 avec un catalogue d'étoiles, stocké dans une mémoire 41 de l'unité de traitement 40, l'image d'étoiles permet de déduire la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie 2 dans un repère fixe dont on connaît la position.
De manière avantageuse, l'acquisition E1 de la seconde image est effectuée selon un champ angulaire supérieur au champ angulaire selon lequel la première image est acquise E2 de manière à ce que l'image acquise par le dispositif d'imagerie soit incluse dans l'image acquise par la première tête du senseur 3. On a illustré sur la figure 4, l'image 11 acquise par le dispositif d'imagerie 2 et l'image 12 acquise par la première tête optique 31 du super- senseur 3.
Ainsi, la première tête optique 31 du super-senseur 3 est une caméra qui permet d'acquérir une image matricielle instantanée (en anglais, « snapshot ») de la zone cible par exemple la Terre, avec une couverture angulaire instantanée proche du champ angulaire typique opérationnel du dispositif d'imagerie 2. En revanche, la résolution angulaire de la première tête 31 du super-senseur 3 est inférieure de un à deux ordres de grandeurs relativement à celle du dispositif d'imagerie 2. De cette façon, la première tête optique 31 peut être une caméra compacte et donc de petite taille ce qui permet d'alléger la structure du super- senseur 3.
Comme on peut le comprendre la première tête optique 31 du super- senseur 3 agit comme un système de surveillance de la prise d'images par le dispositif d'imagerie 2.
De manière avantageuse, on choisit la première tête optique de manière telle que la résolution angulaire de la première tête optique soit entre 10 à 100 fois inférieure à la résolution angulaire du dispositif d'imagerie 2.
A titre d'exemple non limitatif, on choisit la première tête optique pour que le pas d'échantillonnage de la première tête optique soit de 10 m avec une FTM à fe/2 de l'ordre de 0,1 et une focale de 385 mm avec des pixels de 5,5 microns et un champ angulaire de 40 km.
En outre, on choisit la seconde tête optique comme étant un senseur stellaire classique dont la précision angulaire propre est choisie en fonction de la mission.
Le procédé ci-dessus décrit connaît de nombreuses applications.
Il est notamment possible de mesurer des vibrations mécaniques subies par le dispositif d'imagerie 2 afin de les compenser dans le cadre d'un procédé de mesure des vibrations mécaniques d'un dispositif d'imagerie.
Ce procédé comprend notamment une étape consistant à déduire de l'orientation de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête obtenue par l'intermédiaire du procédé de mesure de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie 2 ci-dessus décrit des distorsions, temporelles et instrumentales (i.e. géométriques et/ou optiques) subies par le dispositif d'imagerie, telle que des vibrations.
Selon une première étape dite de « mise en géométrie » d'un procédé de mesure des vibrations mécaniques d'un dispositif d'imagerie, on choisit l'image acquise par la première tête optique comme référence, une image de la mission est dite alors une image seconde que l'on va vouloir superposer à l'image de référence (au sens géométrique). On utilise alors des modèles géométrique de l'image de référence et de l'image secondaire, afin d'exploiter toutes la connaissance délivrée par le système (attitudes existantes, cartographie du plan focal existant, etc. ). Les images de référence et secondaires sont alors quasi- superposables. Les seules différences proviennent d'un biais résiduels entre le dispositif d'imagerie et le senseur Terre, de la méconnaissance du plan focal et des erreurs d'attitudes résiduelles (non restituées par le Système de Commande d'Attitude et d'Orbite SCAO).
Selon une seconde étape dite de « corrélation dense » d'un procédé de mesure des vibrations mécaniques d'un dispositif d'imagerie ou de ses déformés statiques, l'image secondaire et l'image de référence sont corrélées. Les biais d'attitude en roulis et tangage se traduisent par des décalages moyens en colonne et ligne de la nappe de disparité. Le biais en lacet se traduit par une pente sur la ligne moyenne des décalages en ligne. Le grandissement se traduit par une pente sur la ligne moyenne des décalages en colonnes. Les lignes de la nappe de disparité résultante comportent des informations sur la cartographie du plan focal du dispositif d'imagerie, tandis que les colonnes de la nappe de disparité correspondent à des informations relatives aux résidus d'attitudes du dispositif d'imagerie non restitué par le SCAO.
Selon une troisième étape dite de « Statistiques », d'un procédé de mesure des vibrations mécaniques d'un dispositif d'imagerie on vient estimer la cartographie du plan focal et éventuellement les résidus d'attitude de chaque prise de vue du dispositif d'imagerie.
Selon un premier mode de réalisation, on calcule une ligne moyenne et une colonne moyenne sur la nappe de disparité résultant de l'étape de « corrélation dense ». Dans ce premier mode de réalisation, le procédé mesure des vibrations mécaniques d'un dispositif d'imagerie comprend ainsi le moyennage d'une ligne et d'une colonne de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour estimer le décalage de la direction de visée d'un capteur parallèlement et perpendiculairement à la trace du dispositif d'imagerie pour la ligne et un résidu d'attitude pour la colonne.
A titre d'exemple, des décalages des directions de visée des capteurs de la barrette peuvent alors être modélisés sous forme de polynômes, par exemple en mettant en œuvre un ajustement selon la méthode des moindres carrés.
Selon un second mode de réalisation, on met en œuvre un ajustement bidimensionnel, selon la méthode des moindres carrés, de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour modéliser sous forme de polynômes ou d'autres fonctions les décalages des directions de visée des capteurs de la barrette parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite. On retiendra que la solution conforme au premier mode de réalisation fondée sur le moyennage des lignes et colonnes présente l'avantage d'être simple à mettre en œuvre.
Selon un troisième mode de réalisation, on met en œuvre une spatiotriangulation entre la première tête optique (considérée comme la référence) et le dispositif d'imagerie. Cette spatiotriangulation permet à partir d'un ensemble de points homologues de déterminer à minima les biais relatifs entre le repère mission et le repère de de la seconde tête optique c'est-à-dire du senseur terre et donc du senseur étoile.
Grâce à ce procédé, on peut compenser des vibrations d'amplitudes de quelques dizaines de nanoradians.
En outre, grâce à l'orientation de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête obtenue par l'intermédiaire du procédé de mesure de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie 2 ci-dessus décrit, il est possible de déterminer la localisation des images acquises par le dispositif d'imagerie 2 dans le cadre d'un procédé de localisation d'une image acquise par le dispositif d'imagerie 2.
Ce procédé comprend notamment une étape E6 consistant à déduire de l'orientation de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête obtenue par l'intermédiaire du procédé de mesure de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie 2 ci-dessus décrit, la localisation de l'image dans un repère absolu puisque dépendant de la position des étoiles.
Dans le cas où l'ensemble imageur comprend plusieurs super-senseurs, on peut améliorer le repère moyen des senseurs stellaires, en utilisant des modèles géométriques du senseur Terre lié au senseur stellaire. Chacun des senseurs terre voit le même paysage au sol, on peut donc affiner l'ensemble des modèles physique des senseurs Terre et déterminer les repères optimaux de ces senseurs terres (et donc des senseurs stellaires) à chaque prise de vue. Le modèle physique de ces senseurs Terre est imparfait, du fait de l'imprécision des paramètres de prise de vue k fournis par le système notamment les biais - un biais en roulis, tangage et lacet est systématiquement estimé.
Pour améliorer le modèle on effectue une spatiotriangulation décrite ci- après, on utilise alors des points homologues, que l'on appelle aussi points de liaison, qui sont des points de coordonnées planimétriques inconnues mais de coordonnées image connues sur au moins deux images (même détail terrain vu sur plusieurs images) ; ces points sont utilisés quand on recale plusieurs images simultanément, ils permettent d'assurer le recalage relatif entre ces images.
L'idée est de calculer des points homologues entre toutes les images issues de tous les senseurs terre de l'ensemble imageur.
L'amélioration du modèle géométrique de prise de vue grâce à ces points
p
homologues est obtenue par estimation de la valeur réelle k des paramètres de prise de vue, ou de certains d'entre eux. On parle alors d'affinage ou de recalage du modèle. Le principe de ce calcul est le suivant :
- on introduit des inconnues * sur la valeur de certains paramètres de
P°
prise de vue k fournis par le système ; ces inconnues sont appelées paramètres de recalage du modèle ; ce sont elles que l'on va chercher à estimer ;
les points homologues permettent d'établir les équations suivantes : pour un point homologue j de coordonnées image "i'Vi) sur l'image 1, de coordonnées image ( Pj) sur l'image 2 et d'altitude terrain hj (cette altitude est optionnelle elle sera estimée) :
Fx (lj, Pj, hj, Ργ ,...,Pk ,...,Pn) = Fx' (lj' , pj' , hj, P[ ,...,Pk',...,Pn')
Fy (lj, Pj, hj, Ργ ,...,Pk ,...,Pn) = Fy' il), pj' , hj, Pi ,...,Pk,-,P„)
avec F, modèle direct de l'image 1 et F', modèle direct de l'image 2 ; on obtient ainsi un système d'équations qu'il faut linéariser puis résoudre en utilisant la méthode des moindres carrés ; la résolution de ce système pour l'ensemble des senseurs terre nous fournit les valeurs des inconnues d¾ et donc d'optimiser les repères des senseurs stellaire.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de mesure de la direction d'une ligne de visée d'un dispositif d'imagerie (2) d'un ensemble imageur comprenant le dispositif d'imagerie (2) adapté pour pointer vers une zone cible selon ladite ligne de visée, l'ensemble imageur comprenant au moins un super-senseur (3) couplé audit dispositif d'imagerie (2), le super-senseur (3) comprenant une première tête (31 ) adaptée pour la prise d'image de la zone cible selon une première ligne de visée (310) dans la même direction que la direction de la ligne de visée (4) du dispositif d'imagerie (2) ; une seconde tête (32) adaptée pour la prise d'images d'étoiles selon une seconde ligne de visée (320), les première et seconde têtes étant orientées l'une par rapport à l'autre selon un décalage angulaire prédéterminé (a),
le procédé comprenant des étapes consistant à
- acquérir (E1 ) une première image au moyen du dispositif d'imagerie (2), - acquérir (E2) une seconde image au moyen de la première tête (31 ) ;
- déterminer (E3) au moins un décalage entre les première et seconde images afin d'obtenir un décalage angulaire relatif entre la ligne de visée du dispositif d'imagerie et la première ligne de visée ;
- déduire (E4) du décalage angulaire prédéterminé (a) entre les première et seconde têtes et du décalage angulaire relatif entre la ligne de visée du dispositif d'imagerie et la première ligne de visée le décalage angulaire de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête.
2. Procédé de mesure selon la revendication 1 , dans lequel l'acquisition (E1 ) de la seconde image est effectuée selon un champ angulaire supérieur au champ angulaire selon lequel la première image est acquise (E2).
3. Procédé de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la résolution angulaire de la première tête (31 ) du super-senseur (3) est inférieure de un à deux ordres de grandeurs relativement à celle du dispositif d'imagerie (2).
4. Procédé de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les étapes d'acquisitions (E1 , E2) des première et seconde images sont mises en œuvres simultanément.
5. Procédé de mesure selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape de détermination (E3) est une corrélation numérique entre les première et seconde images.
6. Procédé de mesure de déformations dynamiques et statiques d'un dispositif d'imagerie (2) comprenant une étape (E5) consistant à déduire du décalage angulaire de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête obtenue par l'intermédiaire du procédé selon l'une des revendications précédentes, des vibrations subies par le dispositif d'imagerie ou des déformations thermo-élastiques statiques de ce dispositif.
7. Procédé de localisation d'une image acquise au moyen d'un dispositif d'imagerie (2) comprenant une étape (E6) consistant à déduire du décalage angulaire de la direction de la ligne de visée du dispositif d'imagerie par rapport à la deuxième tête obtenue par l'intermédiaire du procédé selon l'une des revendications 1 à 5, la localisation de l'image dans un référentiel absolu.
8. Super-senseur adapté pour être couplé à un dispositif d'imagerie adapté pour pointer vers une zone cible selon une ligne de visée, le senseur comprenant
- une première tête (31 ) adaptée pour la prise d'image de la zone cible selon une première direction de visée (310) dans la même direction que la direction de la ligne de visée (4) du dispositif d'imagerie (2) ;
- une seconde tête (32) adaptée pour la prise d'images d'étoiles selon une seconde direction de visée (320) ;
les première et seconde têtes étant couplées l'une à l'autre selon un décalage angulaire prédéterminé (a) le couplage étant tel que ledit décalage angulaire prédéterminé soit constant indépendamment d'un déplacement dudit super- senseur (3), ledit super-senseur (3) étant adapté pour être mis en œuvre dans le cadre d'un procédé selon les revendications 1 à 5.
9. Super-senseur selon la revendication précédente, comprenant une platine (6) sur laquelle sont montées les première et seconde têtes optiques (31 , 32), les première et seconde têtes étant couplées rigidement l'une à l'autre.
10. Ensemble imageur comprenant :
- un dispositif d'imagerie adapté pour pointer vers une zone cible selon une ligne de visée ;
- un super-senseur selon l'une des revendications 8 à 9 couplé au couplé audit dispositif d'imagerie.
1 1 . Satellite comprenant un ensemble imageur selon la revendication précédente.
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