Brevet FR2653918A1 — publié le 19910503

La présente invention est relative à un pro- cédé de rectification en temps réel des images de satel- lites météorologiques géostationnaires. Les satellites météorologiques géostation- naires actuellement existants (il s'agit de satellites qui tournent à 36 000 kms de la Terre au-dessus de l'Equateur et dont la rotation dure exactement 24 heures, en sorte qu'ils se trouvent toujours au même point de la Terre et ils semblent immobiles dans le ciel) sont constitués par le satellite européen METEOSAT, les satellites américains GOES et le satellite japonais GMS, qui sont utilisés pour la prise d'images météorologiques et qui adoptent le même principe pour balayer la Terre, qui consiste en ce que des lignes de données sont construites par rotation de chaque satellite autour de son propre axe longitudinal rendu parallèle à l'axe Nord- Sud (N-S) de la Terre. Aucun satellite géostationnaire ne peut être considéré comme étant en position fixe par rapport à la Terre: en fait l'orbite, l'orientation (attitude), la vitesse de rotation et le début du balayage s'écartent dans le temps par rapport aux valeurs idéales. Ceci donne des images qui sont déformées par rapport à une image de référence, que l'on suppose prise dans des conditions no- minales (à savoir, absolument stables). Cette situation exige que la déformation des images soit déterminée avec une haute précision et que les données relatives aux images transmises par le satellite et reçues à partir de celui-ci doivent être corrigées avant de les utiliser. Les satellites existants, déjà évoqués plus haut, peuvent effectuer une telle correction seulement après qu'une image complète de la Terre ait été reçue. En particulier, pour un satellite tel que le METEOSAT, ceci entraîne un retard qui peut aller jusqu'à 40 mn pour la partie de l'image correspondant à l'hémisphère Sud et jusqu'à 20 mn pour l'Europe, avant que l'image corrigée puisse être diffusée aux utilisateurs. Bien que de tels retards soient, en principe, acceptables pour les météorologistes utilisant les images pour les prévisions météorologiques classiques sur des périodes allant jusqu'à 1 semaine, ils ne sont pas du tout acceptables pour la description détaillée du temps atmosphérique conjointement avec les prévisions météorologiques obtenues par extrapolation avec anticipation pouvant aller jusqu'à 2 heures (dite "nowcasting" suivant la terminologie anglo-saxonne, cf. la définition citée par K.A. BROWNING dans son introduction au "Proceedings of the second international symposium on nowcasting, edt. B. BATTRICK and E. ROLFE, Norrkoeping, Sweden, 3-7 September, 1984). L'état de la technique le plus proche est précisément défini par le satellite européen METEOSAT qui est un satellite stabilisé par rotation autour de son axe et qui prend une image de la Terre chaque demi-heure. Un tel intervalle d'une demi-heure entre les images reçues est dénommé "créneau". Quatre images sont prises simultanément, une dans l'infrarouge, deux dans le visible et une dans la bande de vapeur d'eau. On fait balayer le télescope de 18 dans la direction S-N, ce qui donne un balayage complet de la Terre de 2500 lignes en mn. Dans chacune de ces 2500 lignes, constituant l'image infrarouge thermique ou de vapeur d'eau, il y a 2500 éléments (ou points) d'images ou pels (à savoir, "pixels" suivant la terminologie anglo-saxonne). Toutefois, un seul canal visible a 2500 lignes de 5000 pixels, en sorte que, étant donné que deux canaux visibles agissent simultanément chacun regardant des lignes d'images alternées, un total de 5000 lignes de données correspondant à la bande visible sont disponibles, ce qui donne 5000 x 5000 pixels pour l'image visible. Les données d'images sont reçues par la station d'acquisition de données, de télécommande et de poursuite (DATTS), à partir de laquelle elles sont envoyées au système de calcul terrestre METEOSAT (MGCS) situé au centre d'opérations de l'AGENCE SPATIALE EUROPEENNE à DARMSTADT (ESOC). Le satellite européen METEOSAT est en service depuis le 9 décembre 1977. METEOSAT se trouve sur le méridien 0 (GREENWICH), au-dessus de l'Equateur. Son système de prise d'images voit toujours la même portion, environ 1/3 de la surface de la Terre. L'image brute provient d'un Radiomètre qui "tâte" la Terre en 25 mn. Un système de miroirs discrimine les rayonnements en trois bandes spectrales et les conduit à 3 détecteurs: l'un est sensible à la lumière (500 à 1000 nma), l'autre au rayonnement infrarouge à 10500/12500 nm (rayonnement de chaleur), et le troisième, pour l'infrarouge aussi, mais de 5700 à 7100 nm (vapeur d'eau). Le signal de chaque détecteur est amplifié, filtré, changé d'analogique en digital et ensuite, mémorisé, puisque la Terre vue de 36 000 kms tient dans un angle de 18 . La principale station terrestre du satellite METEOSAT est située au sudest de Francfort, en Allemagne de l'Ouest. L'image brute reçue est transmise par cable au Centre ESOC évoqué plus haut. Les images sont alors introduites dans un système de traitement qui est un des plus grands en Europe, o elles sont corrigées géométriquement, calibrées et évaluées. Les images dans le spectre visible consistent en 5000 lignes de 5000 points par ligne: en d'autres mots, 25 millions de points d'image. Chaque point d'image a une possibilité de 64 valeurs de brillance possible. Les images infrarouges sont formées de 2500 lignes de 2500 points, dans lesquelles les points sont codés en 256 valeurs. Finalement, les images de vapeur d'eau consistent en 6,25 millions de points, comme l'infrarouge, mais le point n'est codé qu'en 64 valeurs. Il faut spécifier, maintenant, que les points mentionnés, représentent une résolution de 2,5 km en lu- mière visible et 5 km dans l'infrarouge. Ces valeurs optimales sont validées pour la surface directement sous le satellite (Golf de Guinée). Les images brutes sont traitées et évaluées de plusieurs façons dans le complexe de DARMSTADT, afin de les rendre utilisables pour les recherches météorologiques. METEOSAT est alors utilisé comme émetteur-relais pour la distribution des images sélectionnées à l'intention des centres Météo, des Instituts de recherche et d'autres parties intéressées en Europe. Ces images traitées sont transmises au satellite à partir de la station terrestre de DARMSTADT et retransmises par le satellite aux fréquences appropriées. Les images qui peuvent être reçues sur ces fréquences données sont des segments de l'image origi- nale, dans le format dit "APT" ("Automatic Pictures Transmission"). L'image brute traitée est scindée en 24 images carrées, au Centre ESOC de DARMSTADT, dans le cas des images visibles, ou en 9 secteurs dans le cas d'images en infrarouge. L'"APT" est un système de transmission d'images mondial, utilisé pour la production d'images à une vitesse de transmission relativement lente, mais avec une plus grande résolution, aussi bien en ce qui concerne le nombre de points tranmis que le nombre de valeurs de l'échelle des gris. D'autres renseignements très utiles concernant le METEOSAT peuvent être trouvés dans la publication "Introduction to the METEOSAT operational system" ESA- BR32, September 1987, ainsi que dans l'article de WOLFF "An image geometry model for METEOSAT, Int. J. Remote sensing, 1985, vol. 6, n 10, pages 1599 à 1606 et dans l'ouvrage "UHF METEOSAT" distribué par SM ELECTRONIC à partir duquel ont été cités les informations contenues aux pages 3 et 4 de cette description. Actuellement, les données d'images sont démul- tiplexées dans un système de réception et stockées sous forme d'images brutes, notamment dans une mémoire à disque, et sont traitées successivement suivant trois étapes principales, qui sont illustrées à la figure 1 accompagnant la présente description, à savoir: 1) détermination des paramètres géométriques du système d'images; 2) calcul de la matrice de déformation (à savoir, de l'écartement de l'image réelle par rapport à l'image de référence); 3) rectification des images brutes évoquées plus haut suivant les indications de la matrice de défor- mation précitée, ces images rectifiées étant elles aussi stockées en mémoire. Ces trois étapes correspondent à ce que dans la littérature scientifique est appelé le "traitement" d'images géométriques", qui vise à reconstruire géométriquement l'image nominale. L'image rectifiée est distribuée par le satellite METEOSAT à un grand nombre d'usagers comprenant les centres nationaux de prévision du temps ainsi que les radio-amateurs et les observatoires météo-amateurs. Le traitement informatique de l'image brute permet de déterminer les paramètres qui sont nécessaires pour connaître la déformation géométrique de l'image brute correspondant au créneau k-1. Cet ensemble de para- mètres, désigné sous la référence Pk-1, est utilisé pour calculer la déformation géométrique sur un certain nombre de points de grille (26 x 26 dans l'application visée dans le cadre de la présente invention). Les variables à considérer sont les suivantes: i) la vitesse de rotation du satellite autour de son axe longitudinal (dit axe de roulis); ii) l'orbite et l'orientation du satellite; iii) les paramètres du satellite qui sont en relation avec le pointage (à savoir, le repérage dans l'espace) du détecteur; iv) le centrage Est-Ouest (E-O) du disque correspondant à la Terre dans l'image; v) le nombre de lignes correspondant à l'horizon Sud et Nord. En ce qui concerne la vitesse de rotation propre du satellite, celle-ci est mesurée par le système de minutage dont est équipé le satellite. L'orbite et l'orientation du satellite sont déterminés selon un traitement en différé (à savoir, en mode autonome) à partir des données de télémesure du METEOSAT et prédites pour les jours suivants. Cette in- formation orbitale est utilisée sans modification. L'orientation basée sur la télémesure est utilisée comme valeur initiale, alors que les horizons infrarouges Sud et Nord sont utilisés pour améliorer la précision de l'orientation. Cette amélioration est nécessaire parce que le METEOSAT, qui n'est pas équipé -pour des raisons économiques- d'un système de mesure d'orientation sophis- tiqué comme c'est le cas d'un traceur de cartes stel- laires, donne une orientation mesurée ne présentant pas la précision exigée pour le traitement d'images géométrique. Les horizons Est et Ouest dans l'image brute sont utilisées pour affiner la position Sud-Nord de l'image. L'ensemble de paramètres ainsi affinés Pk-1 est utilisé pour déterminer la déformation de l'image brute sur les points de grille évoqués plus haut. La déformation sur chacun de ces points est un vecteur représentant la déformation de l'image en lignes et pixels. L'ensemble des valeurs correspondant à ces déformations est mis sous forme de matrice de déformation Dk_1. Une méthode précise de détermination de cette ma- trice est décrite par WOLFF dans l'article "A simple approach to solve the METEOSAT image deformation problem based in horizon extraction from image data and orbit information", Proc. Int. Symp. Spacecraft Flight Dynamics, DARMSTADT, FRG, 18-22 May, 1981, ESA SP- ,Aug. 1981, ainsi que dans l'article -également de WOLFF- déjà évoqué plus haut. Or, la matrice de déformation constitue l'entrée du programme de rectifica- tion, qui effectue l'interpolation de la déformation sur la base des points de grille précités, de manière à déterminer la déformation pour chacun des pixels dans l'image rectifiée, et utilise cette déformation pour corriger le pixel correspondant à l'emplacement dans l'image brute. Le concept, d'ailleurs simple, d'un satellite stabilisé par rotation autour de son axe longitudinal, conjointement avec l'utilisation des données d'images elles-mêmes pour améliorer la précision des paramètres géométriques, fournit une erreur RMS (moyenne quadra- tique) de moins de 2 pixels. Cette erreur RMS a été déterminée en mettant certains points de contrôle en cor- rélation avec des données de référence (cf MUNDOCART Cartographical database, Petroconsultants -CES- Ltd. CAMBRIDGE, UK). La méthode de mesure a été décrite en détail par ADAMSON, J., KERR, G.W., JACOBS, G.H.P. dans l'article "Rectification of quality assessment of Meteosat images", ESA Journal, vol. 12, pages 467 à 482, 1988). Ce qui précède permet d'affirmer la qualité absolue du système existant. Comme conséquence de cette méthode déjà exis- tante, le traitement d'images géométrique peut être mis en route seulement après que le disque complet de la Terre ait été reçu (à cet effet, sont utilisés tous les horizons infrarouges). L'image du créneau k- i est traitée pendant la réception de l'image du créneau k, comme il- lustré à la figure 1 précitée. Le traitement d'images lui-même nécessite environ 6 à 8 mn. Ensuite, les données sont distribuées aux usagers du METEOSAT. Cela implique que les usagers dans l'hémisphère Sud doivent attendre approximativement 40 mn avant de recevoir les images qui couvrent leur zone, alors que les usagers européens doi- vent attendre jusqu'à 20 mn avant de recevoir l'image correspondante. La présente invention s'est donc donné pour but de pourvoir à un satellite météorologique géosta- tionnaire qui reponde mieux à la nécessité de la pratique que les satellites du même type et visant au même but antérieurement connus, notamment en ce qu'il effectue la correction de la déformation des images en temps réel, et ce sans le besoin de détecteur d'attitude additionnel sophistiqué, et donc coûteux, à bord du satellite. La présente invention a pour objet un procédé de rectification en temps réel de données fournies par un radiomètre rotatif à balayage Sud-Nord, dont est équipé notamment un satellite météorologique géostationnaire, pour "déformation" (modification) d'un certain nombre de paramètres du satellite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: 1) lecture d'un nombre limité de lignes d'images brutes à partir de la position initiale du radiomètre; 2) détection de l'horizon Sud et de sa position Est-Ouest en utilisant les données de l'image précédente; 3) détermination du décalage de la vitesse de rotation propre du satellite, à partir d'informations de minutage; 4) évaluation de l'orientation et des paramètres du satellite en utilisant l'horizon Sud; ) évaluation de l'horizon Nord à partir de données géométriques; 6) génération d'une matrice de déformation; 7) rectification de l'image. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre qui fait référence à la figure 2 qui est un diagramme à bloc illustrant de façon schématique le procédé selon l'invention et qui montre de façon claire la différence qui existe par rapport au procédé de l'Art antérieur illustré lui aussi schématiquement à la figure 1 déjà décrite plus haut. Le procédé de rectification en temps réel de l'image déformée, objet de la présente invention, pré- sente des similitudes avec le système existant, parce que le traitement d'images géométrique est également dans ce cas basé sur les trois étapes suivantes, à savoir: i) évaluation des paramètres; ii) détermination de la matrice de défor- mation; iii) rectification. La figure 2 illustre graphiquement la circula- tion de données impliquées dans la rectification en temps réel. La correspondance entre les figures 1 et 2 est très claire et ne requiert de commentaires particuliers: en fait, les blocs 1*, 2*, 3* et 4* de la figure 2 correspondent aux blocs 1, 2, 3 et 4 de la figure 1, alors que les cylindres 5* à 7* et 5 à 7 correspondent à des mémoires à disques. Etant donné que la plupart des perturbations influençant les paramètres du satellite sont de nature périodique, il est logique de s'attendre à que la matrice de déformation correspondant au créneau réel soit basée sur une analyse statistique de l'information établie pour les créneaux précédents. Toutefois, il y a lieu de signaler que la Demanderesse a déjà démontré qu'un tel système ne fournit pas la précision requise. La rectification en temps réel, objet de la présente invention, utilise un mode unique de combinaison des paramètres qui peuvent être évalués, ce mode de com- binaison étant basé sur l'analyse statistique des paramètres établis pour les créneaux précédents, et sur les paramètres qui peuvent être déterminés à partir des données en entrée. Or, c'est seulement cette combinaison de para- mètres évalués (par extrapolation) et mesurés qui fournit la précision exigée. Le procédé d'évaluation en temps réel de l'ensemble des paramètres Pk est effectué pour l'image K directement au début du créneau k. A ce moment, les hori- zons Est, Ouest ou Nord, tels qu'ils sont utilisés dans le schéma de rectification selon l'invention, ne sont pas encore disponibles. Toutefois, on s'est aperçu du fait que la diffusion des images rectifiées n'est pas utile avant de disposer de quelques images contenant au moins l'horizon Sud, qui peut ainsi être utilisé pour améliorer la préci- sion des paramètres. Cela implique que le nombre de lignes de l'horizon Sud peut être mesuré -comme d'ailleurs pour l'horizon Est-Ouest- avant le début du procédé de rectification. En plus, on a l'avantage de pouvoir déterminer le décalage de la vitesse de rotation du satellite autour de son axe à partir d'une information de minutage dans les premières lignes d'images. Cela étant, les seuls paramètres qui ne sont pas connus à ce moment dans le temps sont l'orientation affinée et les paramètres du satellite de même que le positionnement de l'horizon Nord à l'intérieur de l'image. Toutefois, l'orientation peut être affinée uniquement en utilisant l'horizon Sud. De plus, on préfère l'hypothèse que les paramètres du satellite restent constants sur un créneau, ce qui signifie que l'on peut adopter pour eux les mêmes valeurs correspondant à l'image précédente. Au demeurant, l'horizon Nord peut être obtenu à partir de la position du satellite, du rayon polaire de la Terre et des paramètres de pointage, à savoir de repérage du détecteur du satellite. Il est possible de tenir compte des variations de la vitesse de rotation du satellite autour de son axe à l'aide d'une équation différentielle du premier ordre qui fait partie d'un algorithme approprié connu sous le nom de KALMAN FILTER (cf GELB, A., "Applied optimal estimation", MIT press,1974). Un prototype du système de génération de la matrice de déformation et d'évaluation des paramètres a été développé par la Demanderesse et testé pendant plusieurs mois, ce qui a permis d'en établir une fois pour touteSla précision et la qualité. Les tests ont été effectués en tenant compte, comme élément de comparaison, du METEOSAT. L'application du procédé objet de la présente invention ne se limite pas seulement à la météorologie mais peut facilement être étendue à d'autres domaines de l'industrie tels que le contrôle du trafic aérien et routier. REVENDICATION Procédé de rectification en temps réel de données fournies par un radiomètre rotatif à balayage Sud-Nord, dont est équipé notamment un satellite météorologique géostationnaire, par déformation d'un certain nombre de paramètres du satellite, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: 1) lecture d'un nombre limité de lignes d'images brutes à partir de la position initiale du radiomètre; 2) détection de l'horizon Sud et de sa position Est-Ouest en utilisant les données de l'image précédente; 3) détermination du décalage de la vitesse de rotation propre du satellite, à partir d'informations de minutage; 4) évaluation de l'orientation et des paramètres du satellite en utilisant l'horizon Sud; ) évaluation de l'horizon Nord à partir de données géométriques; 6) génération d'une matrice de déformation; 7) rectification de l'image.