Brevet FR2853191A1 — publié le 20041001

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CARTOGRAPHIE D'ETOILES PAR CONVERGENCE 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 champ 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 10 d'attitude 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 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 d'un nombre 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 20 inertiel est calculée. Pour s'assurer de 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 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 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 quasiinstantanée (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 de lecture. Cet inconvénient est partagé avec les autres 5 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 respectivement l'image non déformée io 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 15 ayant une 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 20 problème) permettant de tolérer des défilements des étoiles dans le champ de vue du capteur. Pour cela, l'invention met en oeuvre un capteur permettant de limiter la lecture à des fenêtres jugées seules intéressantes, en réduisant par là les décalages temporels entre les lectures, et permettant de gérer ligne par ligne 25 (ou fraction de ligne par fraction de ligne) les instants d'initialisation et de lecture des cellules de la ligne. Dans un mode particulier d'exécution, notamment applicable au cas ou les vitesses de défilement sont relativement faibles (typiquement inférieures à 0,5 '/par seconde), le procédé comporte: a- la lecture complète ligne à ligne de la matrice (ou de certaines colonnes seulement lorsque une connaissance approximative le permet) avec décalage temporel des initialisations et des lectures d'une durée égale au temps de lecture d'une ligne, puis le repérage des étoiles les plus brillantes, jusqu'à un nombre maximal N prédéterminé, et le calcul des positions estimées des dites étoiles à partir de leur position relative dans l'image. b- le calcul d'une taille de fenêtres contenant à coup sûr les dites étoiles, entourant chacune des positions estimées, en fonction de la vitesse 5 maximum de défilement prévue puis la lecture des seules cellules contenues dans les fenêtres avec initialisation de toutes les lignes à des instants proches et le recalcul des positions estimées, et c- la répétition de l'étape b avec calcul d'une taille de fenêtre réduite à chaque étape en tenant compte de l'écart entre les positions 10 successives estimées, jusqu'à obtention d'une taille de fenêtre inférieure à l'écart sur la disposition angulaire relative des étoiles nécessaire à la reconnaissance de la constellation des N étoiles. Au cours de 1' étape (a), les temps d'intégration (différences entre l'instant d'initialisation et l'instant de lecture) sont les mêmes pour toutes les 15 cellules et les brillances relatives de chacune des étoiles sont significatives. Elles peuvent être conservées et peuvent alors servir à l'étape suivante et à l'identification finale d'une constellation. Mais les pixels fournis à l'issue de l'étape (a) correspondent à des dates différentes de lecture, de sorte que l'image obtenue de la constellation est distordue. Au cours des étapes suivantes, qui constituent une détermination par convergence, le temps de lecture des N fenêtres n'engendre qu'une erreur de calcul des positions des étoiles qui se réduit de plus en plus au fur et à mesure de la réduction de taille des fenêtres. Les temps d'intégration ne sont plus identiques pour toutes les cellules, mais cela est sans conséquence dans la 25 mesure ou les brillances ont été mémorisées, directement et même sur un nombre réduit de bits. Le procédé est de mise en oeuvre simple, fournit généralement une convergence très rapide et présente une robustesse élevée à la présence de corps brillants parasites constituant de fausses étoiles. Un dispositif suivant un second aspect de l'invention utilise un capteur APS matriciel piloté par un circuit de commande permettant un accès par ligne ou par fraction de ligne, intermédiaire entre l'accès direct pixel par pixel, qui nécessite un interface complexe, et un mode continu, simple mais se prêtant mal à des multi - fenêtrages. La position des fenêtres n'est pas forcément constante. Elle peut être modifiée au cours du procédé d'une étape à la suivante, c'est-à-dire être considérée comme " dynamique ". Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, 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, 15 et de l'image telle qu'elle est fournie par un capteur à APS; La figure 3 est un organigramme d'une première étape d'un procédé de cartographie mettant en oeuvre l'invention; Les figures 4 et 5 sont des schémas montant deux étapes successives de convergence de la reconnaissance, après l'étape de la figure 1; 20 La figure 6 est un schème de principe destiné à indiquer une implémentation de moyens de mise en oeuvre du procédé dans un dispositif à capteur APS. La première étape du procédé est constituée par la recherche des étoiles qui permettront l'identification, avec un temps d'intégration constant sur 25 l'ensemble de l'image fournie par le capteur. A la première étape, la matrice de cellules est lue intégralement, mais en décalant les initialisations des pixels ligne par ligne d'une durée égale au temps de lecture d'une ligne. Cette opération est effectuée de façon relativement simple à condition d'utiliser un capteur APS à lecture ligne par ligne 30 (ou à lecture fraction de ligne par fraction de ligne lors qu'il suffit d'explorer une fraction de l'image globale fournie par le capteur). Le temps d'intégration, compris entre instant d'initialisation et l'instant de 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 champ de vue du capteur, la constellation est distordue. A titre d'exemple, la figure 2A montre une constellation de cinq 5 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. Mais 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 10 vitesse maximum de défilement estimée à l'avance. Elles permettront, au cours de l'étape suivante, de déterminer le centre de fenêtres à sélectionner. En général, l'image fournie par le capteur comportera un nombre d'étoiles élevé. Mais seules les étoiles les plus brillantes ou celles jugés les plus significatives seront retenues au cours de la seconde étape. Dans le cas illustré 15 sur les figures 2A et 2B, l'étoile représentée par une simple croix sera par exemple ignorée dans la suite du processus. La seconde étape du procédé peut être considérée comme un processus par convergence par parcours d'une boucle 23. Dans une première phase de l'étape 2, on calcule la taille initiale de 20 fenêtres de lecture des étoiles retenues (au nombre de cinq dans le cas illustré sur les figures 2A et 2B). Ces fenêtres ont initialement une taille relativement grande, puisqu'elles ne peuvent être déterminées qu'à partir d'une hypothèse sur la vitesse de défilement maximale. La phase suivante consiste à lire les fenêtres le plus rapidement possible 25 dans la mesure compatible avec la taille des fenêtres, afin de minimiser les erreurs de positionnement des étoiles, cela au détriment de l'homogénéité des temps d'intégration, puisque les instants d'initialisation seront décalés, contrairement aux instants de lecture que l'on cherche à homogénéiser. Au cours de la phase suivante on recalcule les positions approximatives 30 des étoiles. Les erreurs sont alors moindres qu'au cours de l'opération précédente, puisque le temps écoulé entre la lecture du premier pixel et celle du dernier pixel d'une ligne est inférieur à celui de l'opération précédente, du fait qu'il y a moins de pixels lus, grâce à la possibilité fournie par le capteur de lire uniquement les fenêtres. La figure 4 montre quatre fenêtres 24 sélectionnées pour le parcours suivant de la boucle, chaque fois à partir de la connaissance de la position des étoiles trouvée au cours du parcours précédent de la boucle (et éventuellement d'une extrapolation à partir de deux passages précédents successifs, lors des 5 parcours ultérieurs de la boucle). Les étoiles passent aux positions 28, du fait que la scène dans le champ de vision du capteur est passé de la position 30 à la position 32. Une nouvelle lecture est effectuée, sur les fenêtres plus petites, comme indiqué sur la figure 5. La boucle, comportant successivement le calcul 34 de la position des fenêtres et la lecture 36 des fenêtres (figure 3) est répétée jusqu'à ce que les fenêtres aient qu'une taille suffisamment petite pour que l'on dispose à la fois de la position réelle des étoiles de la constellation et d'une représentation homogène de la brillance. Le procédé est simple à mettre en oeuvre et fournit une identification présentant une immunité élevée à la présence de corps célestes lumineux, au prix de l'exigence d'une bande passante élevée dans le cas o la vitesse angulaire maximum prévisible du satellite est élevée. Les diverses fonctions peuvent être remplies en associant, à un 20 calculateur 40, 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 25 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 de l'étape 2, de déterminer une nouvelle taille et un nouvel emplacement de fenêtres. Revendications 1. Procédé de cartographie d'étoiles à partir d'images successives fournies par un capteur à matrice de cellules à pixel actif APS, comportant les étapes suivantes: a- la lecture complète ligne à ligne de la matrice avec décalage temporel des initialisations et des lectures d'une durée égale au temps de lecture d'une ligne, puis le repérage d'étoiles, jusqu'à un nombre maximal N prédéterminé, et le calcul des positions estimées des dites étoiles à partir de leur 10 position relative dans l'image. b-le calcul d'une taille de fenêtres contenant à coup sûr les dites étoiles, entourant chacune des positions estimées, en fonction de la vitesse maximum de défilement prévue, puis la lecture des seules cellules contenues dans les fenêtres avec initialisation de toutes les lignes à des instants proches et 15 le recalcul des positions estimées, et c-la répétition de l'étape b avec calcul d'une taille de fenêtre réduite à chaque étape en tenant compte de l'écart entre les positions successives estimées, jusqu'à obtention d'une taille de fenêtre inférieure à l'écart sur la disposition angulaire relative des étoiles nécessaire à la reconnaissance 20 de la constellation des N étoiles. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les brillances des étoiles sont mémorisées à l'issue de l'étape a. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les initialisations de toutes les lignes au cours des étapes successives b sont 25 effectuées à des instants aussi proches que possible, dans la mesure compatible avec la taille des fenêtres. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que seules les N étoiles les plus brillantes parmi celles contenues dans l'image sont retenues à l'issue de l'étape a. 5. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que seules les N étoiles les plus significatives parmi celles contenues dans l'image sont retenues à l'issue de l'étape a. 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 un circuit de séquencage (54) permettant un accès par ligne ou par fraction de ligne, des moyens de mémorisation de l'image fournie par le capteur pour exploitation ultérieure, et un calculateur (40) permettant de commander les opérations suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5.