Brevet FR2699666A1 — publié le 19940624

Procédé de navigation pour aéronef à laide d'un modèle numérique de terrain La présente invention concerne un procédé de navigation pour aéronef disposant d'une carte électronique du relief du terrain survolé, ou modèle numérique de terrain, et de moyens de prise de vues, à des instants successifs set sous des angles différents, d'une même zone du terrain survolé, afin de reconstituer une carte en relief du terrain survolé et de la comparer au modèle numérique de terrain pour en déduire la position de l'aéronef au-dessus de la zone survolée. Lors de la préparation du vol d'un aéronef, par exemple un avion devant suivre une trajectoire bien définie, une cassette contenant une carte électronique, appelée modèle numérique de terrain, décrivant le relief du terrain à survoler, est embarquée à bord. Pour suivre la trajectoire prévue, l'avion comporte deux caméras effectuant cycliquement des prises de vues du terrain, l'une vers l'avant et l'autre vers l'arrière, selon des axes de visée déterminés. L'écart angulaire entre les deux axes de visée se traduit par un retard pour l'apparition, dans l'image "arrière", d'un détail du terrain déjà apparu dans l'image "avant". Ce retard est d'autant plus grand que les intersections des axes de visée avec le terrain sont écartées l'une de l'autre. En d'autres termes, le retard entre images homologues d'un même détail croît linéairement avec la différence d'altitude entre l'avion et le terrain. Si l'avion est en palier, à vitesse connue, on calcule, d'après sa vitesse et le retard, la distance parcourue entre les instants de prise de vue des deux images homologues et on en déduit alors directement la distance verticale, ou la hauteur, entre l'avion et le terrain survolé. La succession de telles déterminations de hauteur fournit une carte électronique en relief du terrain survolé qui est comparee au modèle numérique de terrain pour repérer la position de l'avion et effectuer les corrections de trajectoire nécessaires. Si, comme c'est le cas général, l'altitude absolue de l'avion, par rapport à un ellipsoïde terrestre de référence, est connue, on calcule directement l'altitude absolue du terrain, afin de faciliter la comparaison avec le modèle numérique de terrain, comparaison qui porte alors aussi sur l'altitude, en plus de la forme du terrain. Cependant, la comparaison de cartes en relief électroniques nécessite l'utilisation de calculateurs puissants comportant des mémoires de forte capacité, ce qui en accroît le coût, l'encombrement et la consommation. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. A cet effet, la présente invention concerne un procédé du type mentionné ci-dessus, caractérisé par le fait que, préalablement au vol - on prepare, et avant de l'embarquer à bord, un modèle numérique de terrain fournissant des courbes de niveau du terrain à survoler, et, en vol, - on détermine, à partir des vues prises, des courbes de niveau du terrain survolé et - on recherche un maximum de corrélation entre les formes des courbes de niveau déterminées et celles de courbes de niveau du modèle numérique de terrain et on en déduit la position de l'aéronef lors de la prise de vues. Ainsi, la corrélation existant dans la description électronique du relief est grandement éliminée, sans perte notable de précision. Les données à traiter sont de volume réduit, ce qui permet l'utilisation d'un calculateur plus simple avec des mémoires de taille réduite. Avantageusement, on détermine des segments caractéristiques des courbes de niveau, de forme facilement identifiable, et on ne recherche le maximum de corrélation qu'à partir desdits segments caractéristiques, ce qui réduit le volume des données à traiter, car les segments caractéristiques sont courts et en nombre réduit. Avantageusement encore, on utilise des segments caractéristiques, de forme facilement identifiable, des courbes de niveau pour corriger ladite corrélation entre courbes de niveau et modèle numérique de terrain. De cette façon, on peut encore améliorer les résultats obtenus à partir des courbes de niveau, grâce à la précision des résultats obtenus à partir des segments caractéristiques. En effet, les courbes de niveau ont une forme a priori quelconque, pouvant n'avoir que peu de segments caractéristiques, si bien que ce sont les parties non caractéristiques des courbes de niveau, comme des segments de droite, plus difficiles à délimiter entre elles et fournissant donc un résultat moins précis, qui, par leur nombre, déterminent en pratique le maximum de corrélation. En utilisant, en outre, le résultat, ou corrélation maximale, obtenu à partir des segments caractéristiques seuls, on peut utiliser pleinement la richesse d'information liée à la précision de position de chaque segment caractéristique pour obtenir un maximum de corrélation très précis, qui peut alors servir pour corriger le maximum déterminé à partir des courbes de niveau. Inversement, le maximum de corrélation déterminé à partir des courbes de niveau, plus longues que les segments caractéristiques, est moins sensible à un nombre donné d'erreurs grossières de position de certaines courbes de niveau. Ce maximum de corrélation permet alors, si le maximum relatif aux segments caractéristiques en diffère par trop, de détecter l'existence d'erreurs grossières pour certains segments caractéristiques, qu'il est possible d'éliminer du traitement de recherche de maximum de corrélation correspondant, afin d'obtenir, pour les segments caractéristiques, un maximum de corrélation qui, après correction pour le rendre compatible avec le maximum de corrélation obtenu à partir des courbes de niveau, retrouve une grande précision. La synergie ci-dessus entre courbes de niveau et segments caractéristiques peut être exploitée de façon récursive pour continuer à améliorer les résultats de corrélation. La recherche de corrélation utilise avantageusement la transformation de Hough. On peut ainsi, en particulier, éliminer l'influence de paramètres a priori mal connus, liés aux mouvements de l'aéronef, et optimiser la définition de la corrélation maximale. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante du mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 représente un avion disposant de deux caméras effectuant des prises de vues d'un terrain survolé, vers l'avant et l'arrière, et - la figure 2 est un organigramme du procédé de l'invention. Un avion 1, représenté sur la figure 1, occupe une position 3 et survole horizontalement un terrain 4. L'avion 1 porte deux caméras 5 et 6 effectuant respectivement, au fil du temps, des prises de vues de mêmes zones du terrain 4 sous deux angles présentant des composantes différentes dans le plan vertical de la figure, plan défini par la trajectoire horizontale de l'avion 1 et la verticale locale 14. Les axes de visée 8, 9 correspondants sont, ici, dans le plan vertical ci-dessus et l'un, 8, est, dans cet exemple, orienté vers l'avant de l'avion 1 tandis que l'autre, 9, est orienté vers l'arrière. Autour des axes 8, 9 sont respectivement centrés des cônes de prise de vue 10, 11 coupant le terrain survole 4 en des zones 12, 13 correspondant à l'image fournie par chaque caméra 5, 6. L'avion 1 est à une hauteur H par rapport au terrain 4 et se déplace à une vitesse V. Les axes de visée 8 et 9 sont écartés, à leurs intersections 12, 13 avec le terrain 4, d'une distance D3, mesurée sensiblement horizontalement. I1 est aussi représenté, par des lignes en pointillés, la position antérieure 2 de l'avion 1 pour laquelle le cône avant 10 atteignait la zone 13 du terrain, vue ultérieurement par la caméra arrière 6 lorsque l'avion 1 est en position 3. La distance D2 séparant les positions 2 et 3 de l'avion 1, aussi reportée à partir de la zone 13 sur une horizontale, est égale à V.T, T étant le temps de vol pour passer de la position 2 à la position 3. La distance D (D2 ou D3) croît proportionnellement avec l'écart de hauteur H entre l'avion 1 et le terrain 4, les caméras 5, 6 étant voisines, si bien que, la distance D étant déterminée à partir de la vitesse V et du temps T, on peut en déterminer la hauteur H connaissant les tangentes des angles Al et A2 que forment les axes de visée 8 et 9 avec la verticale 14, à partir de la formule H = D2 tgA1 - tg A2 Si l'altitude absolue Ha de l'avion 1 par rapport à un ellipsoïde terrestre de référence 15 est connue, l'altitude absolue de la zone 13 observée est Ht = Ha - H on remarque que la zone 12 (qui servira pour une mesure ultérieure) étant à plus basse altitude que la zone 13, la distance D3 les séparant est supérieure à D2, ce qui montre la concomitance des croissances de l'écart de hauteur H entre l'avion 1 et le relief 4 et de la distance D. La détermination du temps T s'effectue par corrélation des images de la caméra arrière 6 avec celles de la caméra avant 5. Cette corrélation entre images est effectuée à l'étape 20 de la figure 2 en recherchant, dans cet exemple, le minimum du Laplacien relatif aux images à comparer. Pour réduire les erreurs dans la recherche du minimum du Laplacien, on tient compte, pour corriger les images, de la géométrie optique des caméras 5, 6 et du fait que les zones de terrain (12, 13) sont observées sous deux angles (Al, A2) différent, ce qui pourrait gêner la reconnaissance des formes observées par une caméra puis l'autre, formes dont les détections successives fournissent le temps T, connaissant les instants de prise de vue des deux images correspondantes. On obtient de façon connue, en 21, une carte en relief calculée du terrain 4 survolé. A l'étape 22 on effectue, grâce à un calculateur, non représenté, à bord de l'avion 1, une extraction des courbes de niveau en calculant les coordonnées, dans des plans horizontaux, des intersections du relief calculé en 21 avec plusieurs plans horizontaux, ici équidistants. Le calculateur disposant, par ailleurs, d'un modèle numérique de terrain 24 fournissant des courbes de niveau du terrain 4, il effectue, à l'étape 25, une comparaison de forme entre les courbes de niveau du modèle numérique de terrain 24 et celles, calculées, du terrain 4, obtenues à partir des caméras 5 et 6. On utilise ici une transformation de Hough pour rechercher un optimum de corrélation entre les courbes de niveau calculées et celles mémorisées dans le modèle numérique de terrain 24. On remarquera qu'en cas d'incertitude sur l'altitude absolue Ha de l'avion 1, donc aussi celle du relief, il est possible de définir par interpolation des courbes de niveau intermédiaires, pour le relief calculé ou celui mémorisé (24), ce qui permet d'obtenir une coïncidence exacte des formes et dimensions des courbes de niveau à comparer. On notera cependant que la connaissance de l'altitude relative du relief calculé (hauteur H par rapport à l'avion 1) suffit pour comparer le relief calculé au relief mémorisé (24), quitte à effectuer une recherche plus longue pour trouver une corrélation. La transformation de Hough facilite la recherche d'optimum de corrélation par le fait qu'elle permet de déterminer des paramètres de rotation et de translation dus aux mouvements de roulis, tangage et lacet de l'avion 1. La transformation de Hough fournit un histogramme permettant de mesurer l'influence des paramètres perturbateurs ci-dessus, d'en déterminer la valeur et de corriger ensuite leurs effets sur la précision de l'optimum de corrélation. Cette transformation de Hough peut être modifiée par une pondération mesurant la corrélation de points caractéristiques homologues entre les courbes de niveau calculées et celles mémorisées (24). Les points caractéristiques sont en fait de courts segments de courbes de niveau, qui, par opposition aux autres segments formant ces courbes, présentent une forme facile à identifier, par sa courbure ou son caractère anguleux, donc dont la position est observée et calculée avec précision. De ce fait, comme le montre l'étape 23, il peut être prévu, après l'étape 22, de ne retenir que les points caractéristiques des courbes de niveau calculées pour effectuer la recherche de corrélation en 25. De même, comme indiqué plus haut, on peut retenir tous les segments, caractéristiques ou non, et pondérer plus fortement en 25 les informations de position, plus précises, obtenues à partir de ces points, ou segments, caractéristiques. On peut encore effectuer successivement les étapes indiquées pour les courbes de niveau puis pour les points caractéristiques et corriger ensuite mutuellement les résultats obtenus dans les deux cas. La position déterminée est alors transmise à un calculateur de navigation, pour qu'il recale sa position estimée. On remarquera que seule est nécessaire, à bord de l'avion 1, la présence des caméras 5, 6, leurs signaux d'image pouvant être transmis à des moyens de calcul distants. REVENDICATIONS 1. Procédé de navigation pour aéronef disposant d'une carte électronique du relief du terrain survolé, ou modèle numérique de terrain (24), et de moyens (5,6) de prise de vues, à des instants successifs et sous des angles différents, d'une zone (13) du terrain survolé, afin de reconstituer une carte en relief du terrain survolé et de la comparer au modèle numérique de terrain (24), pour en déduire la position de l'aéronef au-dessus de la zone survolée (13), caractérisé par le fait que, préalablement au vol - on prépare, et avant de l'embarquer à bord, un modèle numérique de terrain (24) fournissant des courbes de niveau du terrain à survoler, et, en vol, - on détermine, à partir des vues prises, des courbes de niveau du terrain survolé et - on recherche un maximum de corrélation entre les formes des courbes de niveau déterminées et celles de courbes de niveau du modèle numérique de terrain (24) et on en déduit la position de l'aéronef lors de la prise de vues. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine des segments caractéristiques (23) des courbes de niveau, de forme facilement identifiable, et on ne recherche le maximum de corrélation qu'à partir desdits segments caractéristiques. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise des segments caractéristiques, de forme facilement identifiable, des courbes de niveau pour corriger ladite corrélation entre courbes de niveau et modèle numérique de terrain (24). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel ladite recherche de corrélation utilise la transformation de Hough (25). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel, dans la transformation de Hough, on pondère l'influence des divers segments formant les courbes de niveau en fonction de la forme desdits segments.