Brevet FR2798999A1 — publié le 20010330

PROCEDE ET DISPOSITIF DE LOCALISATION D'OBJECTIFS PAR UN AERONEF La présente invention concerne les procédés et dispositifs localisation d'objectifs terrestres fixes ou à déplacement lent, par rapport à un aeronef, ce qui implique la détermination de la distance de l'objectif et de son altitude relative par rapport à l'aéronef, au cours du déplacement de ce dernier. A l'heure actuelle, les systèmes de localisation et de désignation d'objectifs sont généralement fondés sur une comparaison entre la position l'aéronef, donnée par une centrale inertielle de navigation ou par un récepteur et une indication cartographique résumée mémorisée avant le début de la mission de l'aéronef. Ces systèmes ont l'inconvénient d'être peu précis et de n'être pas utilisables pour la localisation d'objectifs d'opportunité ou d'objectifs mobiles. On connaît également des systèmes utilisant des moyens actifs tels qu'un télémetre laser, mais ils ne sont pas prévus sur beaucoup d'aéronefs et ils ne sont toujours utilisables. présente invention vise notamment à fournir un procédé et un dispositif de localisation d'objectifs qui ne nécessitent pas de système optronique actif et cependant permettent, par répétition de mesures effectuées pendant un délai relativement bref, d'obtenir avec une bonne précision la distance entre l'aéronef et l'objectif et l'altitude relative de l'aéronef. Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé comprenant: - la désignation, par le pilote de l'aéronef porteur, d'un objectif au sol, dans l'image fournie par une caméra munie de moyens de stabilisation, - la poursuite de l'objectif par reconnaissance de forme dans l'image de la caméra, stabilisée de façon que sa ligne de visée reste pointée sur l'objectif, - une séquence d'opérations de mesure d'une part de l'angle d'élévation de la cible par rapport à l'aéronef, d'autre part de la position de l'aéronef et de son orientation, et - le calcul de la distance et de l'altitude relative au cours de la séquence, chaque calcul tenant compte de l'ensemble des opérations de mesure effectuées précédemment par un filtrage identique tel qu'un filtrage de Kalman. L'invention propose également un dispositif de localisation d'objectifs par un aéronef, comprenant, sur l'aéronef : centrale de navigation inertielle fournissant les mouvements de l'avion translation et en orientation dans un repère lié à la terre, - caméra fournissant une image du sol dans laquelle il est possible de désigner poursuivre un objectif, et des moyens de reconnaissance de l'objectif désigné dans des images successives lors du déplacement de Paeronef et des moyens stabilisation de la ligne de visée de la caméra vers ledit objectif, et moyens de calcul de la distance entre l'aéronef et l'objectif et de l'altitude relative de l'aéronef par rapport à l'objectif à partir de jeux de valeurs successives de l'angle d'élévation de la cible d'une part, de la position et de l'orientation de l'aéronef d'autre part. Dans son application à la localisation d'objectifs constituant des cibles d'opportunite, à partir d'avions d'attaque à basse ou moyenne altitude par des bombes lisses à trajectoire balistique ou même par des bombes freinées, l'invention permet d'améliorer la précision sans usage de moyens actifs et de permettre attaque à distance accrue. Le pilote qui acquiert de telle cibles doit à l'heure actuelle choisir l'instant et l'attitude de largage alors n'a qu#une connaissance très imprécise de la position de la cible par rapport a l'avion, d'où des échecs et /ou des dommages collatéraux. La précision élevée obtenue grâce à l'invention résulte d'une connaissance précise de la distance et de l'altitude obtenue par une algorithmie de triangulation utilisant la poursuite de la cible dans l'image fournie par une caméra stabilisée associée à des moyens de reconnaissance de forme. Le filtrage statistique exploitant n images successives (avec n supérieur à 2) fournit une précision très supérieure à celle d'une simple triangulation à partir de deux mesures ou même d'une moyenne. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - la fig. 1 est un schéma montrant des paramètres qui interviennent dans la mise en #uvre du procédé ; - la fig. 2 est un synoptique du dispositif ; et - la fig. 3 est un diagramme montrant des critères de choix de la durée d'évaluation. Le principe de l'évaluation de l'altitude relative H et de la distance L entre une cible 12 et un aéronef constitué par un avion d'attaque 10 qui suit une trajectoire de consigne dans un plan contenant la cible est montré en fig. 1. Cette situation existe lorsque le pilote a identifié une cible et se dirige vers elle. La cible peut être immobile (cas d'un bâtiment) ou mobile à une vitesse très faible par rapport à celle de l'avion, qui dépasse 100 m/sec. La distance et la hauteur peuvent en principe être déduites de mesures successives de l'angle a entre la trajectoire, supposée rectiligne, de la ligne de visée de cible LDV et de l'élevation c de la trajectoire. Dans un cas idéal, deux mesures aux instants tl et tn permettent d'obtenir D et H à l'instant tn D=L al/sin(an-al) Fi=D (an-c) où L est la distance parcourue entre tl et tn. En fait cette mesure simple ne donne pas une précision satisfaisante. L'avion ne maintient pas un cap parfaitement constant et des vibrations affectent les mesures dont chacune est entachée d'erreurs. Un filtrage statistique sur un nombre suffisant de mesures à des instants successifs avec poursuite de la cible permet d'écarter ces sources d'erreurs. Pour cela l'invention utilise les informations fournies la centrale inertielle 14 de navigation de l'avion. Cette centrale inertielle 4 fournit en permanence les coordonnées x, y et z de l'avion dans un repère ' au sol et ses angles d'orientation y,O et #.La centrale présente une dérive, mais elle est sans inconvénient du fait que le calcul ne fait intervenir que des differences sur un court laps de temps. L'avion porte également une caméra 16 munie de moyens de stabilisation gyroscopique dont la ligne de visée fait, avec les directions principales repère lié à l'avion porteur, des angles y(LDV/p), 0( LDV/p), et # (LDV/p). stabilisation généralement réalisée avec une optique de caméra fixée a l'avion et un miroir déflecteur 18 munie de moteurs 20 et 22 d'orientation en élévation et circulaire. De plus l'optique est généralement précédée d'un prisme dérotateur non représenté destiné à compenser les mouvements de roulis autour de l'axe de l'optique et également commandé par un moteur, facilitant vision du pilote. De telles caméras infra-rouge à visée stabilisée sont déja disponibles sur beaucoup d'avions de combat. Les angles y(LDV/p), 0( LDV/p), et # (LDV/p) sont donnés en permanence par des résolveurs, 21 et 23 de recopie de la position du miroir et du dérotateur éventuel. Les moteurs 20 et 22 sont commandés par des boucles d'asservissement., Les boucles sont généralement prévues pour maintenir ligne de visée dans une orientation constante par rapport au sol pendant que avion vient sur zone de désignation d'objectif de façon à permettre au pilote d'avoir une vision de la zone en avant de lui (fonctionnement en FLIR) ou dans une zone latérale qu'il a sélectionnée. Pour permettre la mise en oeuvre de l'invention, il est souhaitable que les boucles puissent être commutées dans un état où elles maintiennent la ligne de visée LDV pointée sur une cible au sol qui a été désignée le pilote par pointage dans l'image ou par un autre moyen qu'un viseur casque. Pour cela les boucles sont associées à des moyens reconnaissance de forme qui comparent les structures dans l'image à une cible type, sélectionnée parmi des représentations de cible mémorisées à partir l'analyse de la cible indiquée par le pilote. Il est toutefois possible de conserver mode de stabilisation utilisé lors de l'approche, mais il oblige à tenir compte déplacements de la cible dans l'image pour évaluer les éléments de calcul de et H et de plus les déplacements ne doivent pas être tels que la cible sorte l'image. Pour permettre la reconnaissance et la poursuite de la cible, le dispositif comporte des moyens 24 d'acquisition de l'image formée au plan focal de la caméra 16 et des moyens 26 de traitement de cette image, remplissant des fonctions de restauration, de segmentation et d'extraction de region, effectuant donc une sélection de l'information utile de l'image, c'est-à-dire la cible La segmentation consiste à regrouper les pixels ayant une texture comparable (disposition spatiale et radiance) pour extraire les différents objets de l'image (fond, cible, autres objets, ... ) par un filtrage linéaire. Cette segmentation est suivie d'une extraction de région par seuillages fournissant des positions candidates . Enfin la position candidate la plus proche de la position attendue ou prédite fournie sur une entrée 25 par un module de calcul et commande 32 est choisie comme représentation de la cible cette position fournie sur une sortie 27. L'image traitée est affichée sur un écran 28 visible par le pilote ou sur un viseur tête haute. Les moyens de traitement peuvent être prévus, cours d'une période d'exploration, pour indiquer au pilote les emplacements susceptibles de constituer des cibles potentielles, décelés par comparaison avec des modèles stockés en mémoire 30, sous forme de symboles ou de pixels en surbrillance indiquant le barycentre de l'emplacement. Le dispositif comporte encore le module de calcul et de commande 32 incorporant les boucles de stabilisation de la caméra. Ce module de calcul peut être regardé comme ayant: - des moyens 34 de ralliement de la ligne de visée au cours d'une étape préliminaire, puis de stabilisation, - des moyens de poursuite 36 et - des moyens de calcul de D et H 38, fournissant au système d'armes 40 les valeurs de D et H ainsi que des informations identifiant le cap , l'attitude et la vitesse de l'avion en vue de l'élaboration des données de largage (cap et incidence) et pouvant également fournir aux moyens 26, lors de la poursuite de la cible, une prédiction des déplacements de la cible dans l'image. Ces divers moyens peuvent être implémentés sous forme d'organes de calcul distincts ou sous forme de programmes mémorisés. Les données d'entrée du module de calcul et commande comportent des informations en provenance de la centrale 14 navigation inertielle de l'avion. Ces informations sont combinées avec une commande de visée 42, c'est à dire une indication sur l'orientation initiale de la ligne de visée par rapport à l'avion. Comme on le verra plus loin, l'effet des vibrations inévitables de l'avion est combattu par l'addition de signaux représentatifs élongations angulaires de faible amplitude, mais à haute fréquence. Ces signaux sont générés par des gyromètres à composants liés 44 montés sur l'avion ' proximité immédiate de la caméra. Un circuit 46 combine ces informations et les fournit au module de calcul. La mise en #uvre du procédé peut être regardee comme comportant trois phases successives donnant lieu à des opérations différentes. La première phase est constituée par le ralliement c'est à dire la désignation de la cible par le pilote, provoquant l'orientation de la ligne de visée vers la cible en dépit des mouvements angulaires de l'avion, par exemple pour prendre le cap de la cible, La seconde phase est la stabilisation, au cours laquelle le module de calcul et de commande stabilise la ligne de visée vers la cible en dépit des mouvements de l'avion . Enfin la troisième étape est la poursuite ou tracking au cours de laquelle le module 32 maintient la ligne de visée sur la cible à partir du déplacement relatif de la cible déterminé par les moyens traitement de l'image 26 et à partir des données provenant de la centrale inertielle (qui peut fournir soit des écarts angulaires, soit des vitesses de variation de écarts) et fournis par les gyromètres de détection des vibrations. Les modèles de cible mémorisés en 30 peuvent comporter des informations sur les vitesses potentielles permettant une prédiction facilitant la poursuite. Au cours de la phase de ralliement, la désignation d'objectif par le pilote est appliquée au module 34 qui fournit les angles d'identification de la cible par rapport à la ligne de visée courante. Pendant le ralliement , l'avion peut tourner autour de ses axes de roulis, de tangage et/ou de lacet. Une stabilisation est alors assuree Je module 32 utilise les données provenant de la centrale inertielle pour mettre en permanence à jour les consignes des angles y(LDV/p), 0( LDV/p), et (LDV/p) en vue de la commande des moteurs. Enfin les moyens de poursuite qui reçoivent les caractéristiques de la région d'intérêt provenant des moyens 26, commandent les moteurs pour maintenir la ligne de visee alignée avec la cible en tenant compte des oscillations dues aux vibrations souvent pourront être modélisées. La prise en compte des vibrations permet plus de fournir une image stable au pilote. Les calculs de D et H peuvent s'effectuer seulement à partir de jeux de mesures successives de l'angle a et de la distance parcourue au cours de phase de poursuite si le trajet de l'avion est rectiligne et dans un plan contenant la cible. En pratique l'angle c notamment est susceptible de changer et la cible peut se déplacer. Les corrections nécessaires sont alors à effectuer dans espace 3D. Pour calculer de façon précise le position à l'instant tn, les résultats obtenus à partir de mesures successives effectuées à des instants tl, t2,...,tn corrigés pour tenir compte des modifications intervenues sont soumis à filtrage statistique qui sera généralement un filtre de Kalman étendu adapté à modèle de projection perspective 2D/3D si nécessaire. Un compromis sur la durée de la poursuite doit être trouvé entre la recherche la précision sur la localisation et les exigences opérationnelles. La précision d'autant meilleure que la différence an - al est plus élevée et les mesures sont nombreuses. Mais au fur et mesure du rapprochement et temps écoulé avant manceuvre d'évasion la vulnérabilité de l'avion augmente. Dans des conditions d'approche données, la variation de l'erreur sur la localisation en fonction du temps écoulé à partir de la stabilisation a l'allure montrée en Fig. 3. Sur cette figure la ligne EM indique l'erreur maximum admissible pour le type d'armement considéré, ET indique l'erreur considérée comme acceptable. Tmax indique la durée maximale de mesure jugee admissible pour des raisons de vulnérabilité, correspondant à un niveau d'erreur Em au dessous duquel il ne sera pas possible de descendre. Dans le cas illustré le système d'armes peut être prévu pour donner une consigne d'incidence pilote provoquer automatiquement le largage dès que la durée correspondant à l'erreur ET est atteinte. Dans d'autres cas, tels que celui schematisé par la ligne tirets, le largage devra intervenir dès que le temps Tmax atteint. REVENDICATIONS 1. Procédé de localisation d'objectifs terrestres fixes ou à deplacement lent par rapport à un aéronef, comprenant - - la désignation, par le pilote de l'aéronef porteur, d'un objectif sol, dans l'image fournie par une caméra munie de moyens de stabilisation, .. - la poursuite de l'objectif par reconnaissance de forme dans l'image de la caméra, stabilisée de façon que sa ligne de visée reste pointée sur l'objectif, - une séquence d'opérations de mesure d'une part de l'angle d'élévation de la cible par rapport à l'aéronef, d'autre part de la position de l'aéronef et de son orientation, et - le calcul de la distance et de l'altitude relative au cours de la séquence, chaque calcul tenant compte de l'ensemble des opérations de mesure effectuées précédemment par un filtrage identique tel qu'un filtrage de Kalman. 2. Procedé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que durée de localisation limitée à une durée maximum déterminée (Tmax). 3. Dispositif de localisation d'objectifs terrestres par aéronef comprenant, l'aéronef (10) : - une centrale de navigation inertielle (14) fournissant les mouvements de l'avion en translation et en orientation dans un repère lié à la terre, - une caméra fournissant une image du soi dans laquelle il est possible de désigner et poursuivre un objectif, et des moyens de reconnaissance de l'objectif désigné dans des images successives lors du déplacement de l'aéronef et des moyens de stabilisation de la ligne de visée de la caméra vers ledit objectif, et - des moyens de calcul de la distance entre l'aéronef et l'objectif et de l'altitude relative de l'aéronef par rapport à l'objectif à partir de jeux de valeurs successives l'angle d'élévation de la cible d'une part, de la position et de l'orientation l'aeronef d'autre part. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de reconnaissance d'objectif comprennent des moyens (26) de traitement de l'image, remplissant des fonctions de restauration, de segmentation et d'extraction de région, par regroupement des pixels ayant une texture comparable pour extraire les différents objets de l'image par un filtrage non linéaire, extraction du fond, seuillages fournissant des positions candidates et choix de la position la plus proche d'un position prédite. 5, Dispositif suivant la revendication 3 ou 4, caractérise en ce que les moyens stabilisation comprennent des gyromètres à composants liés (44) montés l'aéronef à proximité immédiate de la caméra et circuit (46) qui combine informations et les fournit à un module de ca-Icul.