Brevet FR2853192A1 — publié le 20041001

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CARTOGRAPHIE D'ETOILES PAR RECONSTITUTION GEOMETRIQUE A PARTIR D'IMAGES FOURNIES PAR UN CAPTEUR MATRICIEL La présente invention concerne la cartographie de corps célestes (que par la suite on désignera comme des étoiles) visibles dans le champs angulaire d'un dispositif détecteur dont l'organe sensible est constitué par un capteur à matrice de cellules à pixel actif, à lecture ligne par ligne. La cartographie constitue un élément essentiel de la restitution d'attitude 10 d'un satellite. Elle constitue la phase initiale d'un processus permettant de déterminer l'orientation d'un satellite dans l'espace, y compris lorsque cette attitude est susceptible d'être quelconque, après une perte de contrôle de longue durée par exemple. Classiquement, l'acquisition initiale par un satellite, en l'absence 15 d'indication de départ approchée, est celle représentée schématiquement en figure 1. Après la cartographie, qui permet de repérer, dans le champ de vision, la présence et la disposition relative de N d'étoiles appartenant à une constellation, un algorithme de reconnaissance permet d'identifier la constellation constituée par ces N étoiles. L'attitude du satellite dans un repère inertiel est calculée. Pour s'assurer de 20 la cohérence de plusieurs mesures successives, une prédiction est effectuée, puis elle est vérifiée. Enfin, le calcul d'attitude est complété et le système de contrôle d'attitude passe du mode "acquisition" au mode "poursuite". A chaque étape du processus, il y a retour à la cartographie si on détecte une incohérence. La plupart des capteurs d'étoiles actuellement utilisés comportent un 25 organe sensible constitué par une matrice CCD. Les matrices CCD permettent de transférer globalement vers une matrice tampon, de type analogique, le contenu de toutes les cellules simultanément. Ainsi les dates de lecture et les temps d'intégration de charges sont identiques pour tous les pixels. Pour augmenter la sensibilité des capteurs, on a proposé d'utiliser comme 30 organe sensible ou capteur, une matrice de cellules à pixels actifs, dite APS, au lieu d'une matrice CCD. De tels capteurs ne permettent pas la mémorisation quasi-instantanée (dite " snapshot ") d'une image par transfert complet et global des contenus des cellules. En conséquence, la date d'exposition de chaque cellule dépend de l'instant 5 de lecture. Cet inconvénient est partagé avec les autres technologues de capteurs APS. Lorsque la voûte céleste défile dans le champ de vue du capteur, à une vitesse dont seule la limite supérieure est généralement connue, les différences entre les instants de lecture des pixels provoquent une distorsion géométrique de l'image acquise par le capteur. A titre d'exemple les figures 2A et 2B montrent 10 respectivement l'image non déformée d'une constellation et l'image fournie par le capteur à pixels actifs (dit capteur APS), de façon très exagérée. De plus, les différences de durée d'intégration le long d'une ligne faussent l'appréciation de la brillance des étoiles. Or les catalogues utilisés pour l'identification sont fondés sur l'existence de constellations de plusieurs étoiles ayant une 15 disposition relative connue et, dans une moindre mesure, sur la brillance relative des étoiles observées. La présente invention vise notamment à fournir un procédé et un dispositif de cartographie d'étoiles à partir d'images successives fournies par un capteur APS (ou plus généralement de tout capteur présentant le même problème) permettant de 20 tolérer des défilements des étoiles dans le champ de vue du capteur. L'invention exploite la faculté, qu'il est possible à un capteur matriciel APS, en le munissant d'un circuit de commande de type approprié, de lire, avec des temps d'intégration quasi constants, des zones de l'image très différentes, sélectionnées à volonté. Elle tient compte de plus que la position relative des étoiles 25 d'une constellation et plus généralement l'image 2D de la voûte céleste ne change pratiquement pas lorsque cette dernière défile dans le champ de vision du capteur. L'invention propose en conséquence un procédé de cartographie d'étoiles à partir d'images successives fournies par un capteur à matrice de cellules à pixels actifs, dits APS, comportant les étapes suivantes. a- lecture complète de la matrice de cellules ligne par ligne et repérage de 2 à 4 étoiles de référence, suffisamment brillantes pour pouvoir être poursuivies (mais non nécessairement les plus brillantes) et calcul de position estimée des étoiles de référence, b- calcul de la taille de fenêtre entourant les positions estimées des étoiles de référence, en fonction de la vitesse maximum de défilement acceptée, c-recherche d'étoiles brillantes supplémentaires jusqu'à un total de N étoiles (N étant un nombre prédéterminé, généralement égal à 5 par lecture de bandes de quelques lignes à chaque fois et initialisation décalée ligne par ligne pour obtenir des temps d'intégration uniformes, et repérage des étoiles supplémentaires 10 par rapport aux étoiles de référence d- poursuite des étoiles de référence, calcul des positions des N étoiles sur le capteur et lecture par fenêtrage de ces étoiles. Cette approche permet un faible débit d'information entre le capteur et le calculateur pour une durée de cartographie plus longue et elle autorise des vitesses 15 angulaires de défilement sur le capteur plus élevées. L'invention propose également un dispositif de cartographie d'étoiles à partir d'images successives fournies par un capteur à matrice de cellules à pixels actif APS comprenant un capteur APS matriciel piloté par des moyens permettant un accès par ligne ou par fraction de ligne, des moyens de mémorisation de l'image 20 fournie par le capteur pour exploitation ultérieure, et un calculateur permettant de commander les opérations définies ci-dessus. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description que suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, 25 dans lesquels: La figure 1, déjà mentionnée, est un organigramme d'un procédé connu d'acquisition de position par un satellite, par reconnaissance de constellation; Les figures 2A et 2B sont des représentations schématiques de l'image non déformée d'une constellation représentative, contenant cinq étoiles, et de 30 l'image telle qu'elle est fournie par un capteur à APS classique; La figure 3 est un organigramme montrant les étapes successives d'un procédé de cartographie mettant en oeuvre l'invention; Les figures 4, 5 et 6 sont des schémas montant des étapes successives de la reconnaissance, d'abord par recherche d'étoiles de référence, puis par 5 repérage d'étoiles complémentaires et enfin par reconstruction de l'image complète; et La figure 7est un schéma de principe destiné à indiquer une constitution possible d'un dispositif à capteur APS permettant de mettre en oeuvre la procédé. La première étape du procédé est constituée par la recherche de 10 quelques étoiles de référence (2 ou 3 en général) suffisamment brillantes pour pouvoir ensuite être poursuivies de façon fiable. Divers procédés connus peuvent être utilisés pour cette étape initiale. On peut également utiliser une première étape consistant à lire la matrice de cellules intégralement, mais en décalant les initialisations des pixels ligne par ligne d'une durée égale au temps de lecture d'une 15 ligne. Cette opération est effectuée de façon relativement simple en utilisant un capteur APS à lecture ligne par ligne (ou à lecture fraction de ligne par fraction de ligne lorsqu'il suffit d'explorer une fraction de l'image globale fournie par les capteurs). Le temps d'intégration, compris entre instant d'initialisation et l'instant de 20 lecture, est alors le même pour tous les pixels du capteur. L'intensité des signaux reçus est représentative des brillances réelles de chacune des étoiles. Mais les pixels ont des dates différentes. Si les étoiles défilent dans le champs de vue du capteur, la constellation est alors distordue. A titre d'exemple, la figure 2A montre une constellation de cinq 25 étoiles et un défilement dans le sens indiqué par la flèche V qui fait que les périodes d'intégration sont décalées d'une ligne à la suivante. En conséquence, l'image restituée à la sortie du capteur est celle donnée en figure 2B. Seules les positions approximatives des étoiles de la constellation peuvent être calculées à partir de la connaissance des décalages entre les instants d'initialisation et de la vitesse 30 maximum de défilement estimée à l'avance. Suivant l'invention on relève initialement (étape 1) un nombre réduit d'étoiles dans l'image, généralement 2 ou 3. Ce sont par exemple les étoiles dont un calculateur associé au capteur a déterminé qu'elles étaient les plus brillantes, à partir des signaux fournis par le capteur. Mais d'autres critères peuvent être utilisés et par 5 exemple les étoiles retenues peuvent être celles qui à la fois ont une brillance supérieure à un seuil et présentent l'écart relatif le plus élevé. Dans le cas illustré sur la figure 4, deux étoiles occupant une zone Zl (généralement l'ensemble de l'image) sont retenues pour la suite du procédé. L'étape 2 (fig.5) est constituée par la succession cyclique des tâches suivantes 10 jusqu'à ce que N étoiles brillantes (ou 4 à 7 généralement) soient repérées: > Poursuite, par des petites fenêtres (deux dans le cas illustré), des étoiles de référence uniquement. Le nombre de pixels lus étant petit puisque limité à des zones ou fenêtres Z2 qui vont en diminuant, une initialisation simultanée des pixels du capteur permet d'obtenir un temps d'intégration suffisamment uniforme pour tous les 15 pixels de ces fenêtres ou zones. > Recherche de nouvelles étoiles brillantes par lecture limitée à des bandes de quelques lignes de pixels. Pour cela, en fonction de la vitesse maximale connue ou estimée de défilement des étoiles dans le champ de vue, des bandes regroupant 20 plus ou moins de lignes sont lues. Si le nombre de lignes est grand, on utilisera une initialisation décalée ligne par ligne de la zone de recherche de nouvelles étoiles afin d'avoir permet de garantir un temps d'intégration suffisamment uniforme pour tous les pixels de cette zone. Un dispositif du genre décrit plus loin permet de remplir cette condition. > Les coordonnées 2D des nouvelles étoiles par rapport aux étoiles de référence sont repérées et mémorises, Si nécessaire ou utile, une des étoiles de référence est remplacée par une des étoiles brillantes nouvellement stockées. Le critère de remplacement est par exemple la proximité des bords du capteur ou/et la 30 brillance. On mémorise ainsi N étoiles en tout, 5 par exemple. L'étape 3 (fig. 6) permet de reconstituer l'image complète. Pour cela il y a poursuite des 2 ou 3 étoiles de référence (étoiles d'origine ou de remplacement) sur des images successives. Les positions 2D des N étoiles stockées sur le capteur sont calculées. De nouvelles lectures par fenêtrage de ces étoiles dans des zones Z3 sont effectuées. Le nombre de pixels lus étant faible, une initialisation simultanée des pixels permet de garantir un temps d'intégration suffisamment uniforme pour tous les 5 pixels de ces fenêtres. La lecture de l'ensemble des N étoiles constitue donc une cartographie instantanée, à la même date et avec le même temps d'intégration des N étoiles nécessaires à l'identification par l'algorithme d'acquisition stocké dans un calculateur associé au capteur. Parmi les avantages du procédé qui vient d'être décrit on peut notamment 10 relever: - le faible débit d'information nécessaire entre le capteur et le calculateur; une contrainte de faible débit, si elle était externe, se traduirait par une diminution de la taille des fenêtres de recherche de nouvelles étoiles (étape 2) donc par une durée totale de cartographie plus longue - la possibilité d'optimiser la bande passante (et le débit de pixels du capteur et de la chaîne de lecture) pour des performances données du dispositif en mode poursuite, sans le besoin de surdimensionnement qu'exigerait une phase de cartographie. - la possibilité de traiter, à débit d'information constant, des dynamiques 20 satellite plus grandes: une augmentation de la vitesse de défilement sur le capteur se traduit par une diminution de la taille des fenêtres de recherche de nouvelles étoiles (étape 2), donc par une durée totale de cartographie plus longue, mais qui reste pratiquement toujours acceptable. Les diverses fonctions peuvent être remplies en associant, à un calculateur 40, 25 un capteur constitué par un composant du genre schématisé en figure 6. Ce composant comporte une zone image 42 composée d'une matrice de pixels photosensibles ayant chacun une diode photosensible 10 et un circuit individuel de lecture et de sélection. A cette zone sont associés des circuits d'échantillonnage 44 disposés au bas des colonnes de la matrice et permettant de transférer des portions 30 sélectionnées de l'image en provenance de la zone image dans un étage de lecture 46. La commutation de ligne est effectuée par un décodeur de ligne 50 associé à une logique de ligne 52 et commandé par un séquenceur 54 qui reçoit un signal d'horloge et un signal de commande du calculateur 40. Un décodeur de colonne 56 est également commandé par le séquenceur. Le calculateur 40 permet, à partir des signaux de brillance fournis par le capteur et de la mémorisation de la position des étoiles relevée au cours de chaque phase des étapes 2 et, de déterminer une nouvelle taille et un nouvel emplacement de fenêtres (zones rectangulaires ou bandes). REVENDICATIONS 1. Procédé de cartographie d'étoiles à partir d'images successives fournies par un capteur à matrice de cellules à pixel actif, comportant les étapes suivantes. a-lecture complète de la matrice de cellules ligne par ligne et repérage de 10 2 à 4 étoiles de référence, suffisamment brillantes pour pouvoir être poursuivies et calcul de position estimée des étoiles de référence, b- calcul de la taille de fenêtres entourant les positions estimées des étoiles de référence, en fonction de la vitesse maximum de défilement acceptée, c- recherche d'étoiles supplémentaires jusqu'à un total de N étoiles, N 15 étant un nombre prédéterminé, par lecture de bandes de quelques lignes à chaque fois et initialisation décalée ligne par ligne pour obtenir des temps d'intégration uniformes, et repérage des étoiles supplémentaires par rapport aux étoiles de référence d- poursuite des étoiles de référence, calcul des positions des N étoiles 20 sur le capteur et lecture par fenêtrage de ces étoiles. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les étoiles retenues au cours de l'étape a sont les plus brillantes parmi celles contenues dans l'image. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le 25 nombre de lignes des bandes au cours de l'étape c est déterminé en fonction de la vitesse maximale connue ou estimée de défilement des étoiles dans le champ de vue du capteur. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape c on utilise une initialisation décalée ligne par ligne de la zone de recherche 30 de nouvelles étoiles. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' au cours de l'étape c on remplace une ou plusieurs des étoiles de référence par une ou plusieurs des étoiles brillantes nouvellement stockées. 6. Dispositif de cartographie d'étoile à partir d'images successives fournies par un capteur à matrice de cellules à pixel actif APS comprenant un capteur APS matriciel piloté par des moyens (50- 54) permettant un accès par ligne ou par fraction de ligne, des moyens de mémorisation de l'image fournie par le capteur (34) pour exploitation ultérieure, et un calculateur (40) permettant de commander les opérations suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5.