Brevet FR2960737A1 — publié le 20111202

DOMAINE DE L'INVENTION Le domaine de l'invention est celui des satellites d'observation, et plus particulièrement celui de l'étalonnage des systèmes de prise de vues embarqués au sein de tels satellites. Encore plus précisément, l'invention concerne l'étalonnage en vol des directions de visée des différents capteurs d'une barrette de détection d'un système de prise de vues. On relèvera à ce stade qu'on parle également de cartographie du plan focal pour désigner l'estimation des directions de visée des différents capteurs. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Une recette en vol d'un satellite d'observation démarre dès le contrôle du bon fonctionnement du satellite et dure quelques mois. Cette recette est mise en oeuvre afin de vérifier l'adéquation du système aux spécifications et permettre la diffusion et la commercialisation d'images avec la meilleure géométrie possible. L'estimation des performances géométriques est également suivie tout au long de la vie du satellite, afin de pouvoir identifier d'éventuelles évolutions ou anomalies. L'étalonnage géométrique est le premier objectif de la recette en vol géométrique. II vise à fournir aux traitements sol certains des paramètres géométriques intervenant dans les modélisations et les traitements géométriques. Ces paramètres ont été préalablement mesurés au sol mais certains d'entre eux ont pu évoluer à l'issue du lancement ; d'autres n'ont pu être mesurés qu'avec une précision insuffisante. Ces paramètres comprennent les directions de visée des capteurs d'une barrette de détection du système de prise de vues. On cherche ainsi lors d'un étalonnage géométrique en vol, à ré-estimer les directions de visée des différents capteurs, et ce afin d'établir une cartographie du plan focal. Une méthode connue pour se faire est basée sur la corrélation entre une image acquise par la barrette à cartographier et une image de référence absolue, de meilleure résolution, appelée `supersite' géométrique, telle qu'une photographie aérienne. On trouvera une description de cette méthode aux pages 141-145 de l'ouvrage « Imagerie Spatiale, Des principes d'acquisition au traitement des images optiques pour l'observation de la Terre» publié aux éditions Cépaduès (ISBN : 978.2.85428.844.5). Ainsi, l'étalonnage géométrique est aujourd'hui réalisé en utilisant principalement des sites géométriquement parfaitement connus (planimétriquement et altimétriquement). Ces sites sont de différentes formes (images et modèles géométriques, points d'appui, modèles 3D...), et de différentes précisions. Ces sites sont composés de deux familles principales, l'une permettant d'étalonner les biais d'alignements et de mesurer la performances de localisation (base de donnée de points d'appui), l'autre permettant de faire de la géométrie fine au travers d'analyses dynamiques et statiques permettant une analyse fine des résidus d'attitude et une cartographie des différents plans focaux. L'utilisation de supersites n'est toutefois pas satisfaisante en ce qu'elle s'accompagne de contraintes liées à la création, à l'exploitation et à l'entretien des supersites. En outre, le cartographie du plan focal ne peut être établie que sur des localisations spécifiques. On cherche d'une manière générale une technique pour étalonner géométriquement un système d'observation de la terre qui passerait outre ces contraintes. On cherche également d'une manière générale à atteindre des cartographies plus fines que celles obtenues via les supersites. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif de répondre à ces besoins, et propose à cet effet selon un premier aspect, un procédé de détermination des directions de visée des capteurs d'une barrette de détection d'un système de prise de vues embarqué au sein d'un satellite d'observation, mettant en oeuvre une corrélation d'une image de référence d'une scène avec une image secondaire de la scène obtenue par la barrette de détecteurs, caractérisé en ce que l'image de référence et l'image secondaire consistent en des prises de vues orthogonales de la scène obtenues par la barrette de détecteurs. Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce procédé sont les suivants : il comprend en outre le moyennage d'une ligne et d'une colonne de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour estimer le décalage de la direction de visée d'un capteur parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite ; - les décalages des directions de visée des capteurs de la barrette sont modélisés sous forme de polynômes ; - la modélisation sous forme de polynômes met en oeuvre un ajustement selon la méthode des moindres carrés ; - il comprend en outre la mise en oeuvre d'un ajustement bidimensionnel, selon la méthode des moindres carrés, de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour modéliser sous forme de polynômes les décalages des directions de visée des capteur de la barrette parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite ; - l'estimation des décalages des directions de visée des capteurs étant modulée par des effets résiduels dynamiques, on vient retrancher la modélisation polynomiale à ladite estimation pour estimer les résidus d'attitudes de chacune des prises de vue de l'image de référence et de l'image secondaire ; - il comprend préalablement à la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire, une étape de colocalisation desdites images visant à projeter l'image secondaire dans l'image de référence pour les rendre quasi-superposables. Selon un second aspect, l'invention concerne un produit programme d'ordinateur comprenant un ensemble d'instructions qui lorsqu'elles sont exécutées par une unité de traitement informatique entraînent ladite unité à exécuter les étapes du procédé selon le premier aspect de l'invention. Selon un troisième aspect, l'invention concerne un système de prise de vues destiné à être embarqué dans un satellite d'observation, comprenant une barrette de détection formée d'une pluralité de détecteurs et un programme informatique selon le second aspect de l'invention qui lorsqu'il est mis en oeuvre permet de réaliser un étalonnage du système de prise de vues. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre les prises de vues orthogonales d'une image de référence et d'une image secondaire d'une même scène conformément à l'invention ; - la figure 2 est un schéma illustrant les différentes étapes du procédé selon le premier aspect de l'invention ; - les figures 3a et 3b représentent une estimation des décalages des directions de visée respectivement parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite obtenue par une modélisation polynomiale lors d'une simulation d'effets statiques sans effets dynamiques résiduels ; - les figures 4a et 4b représentent une estimation des décalages des directions de visée parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite obtenue par modélisation polynomiale lors d'une simulation d'effets statiques avec effets dynamiques résiduels très hautes fréquences ; - les figures 5a-5d représentent une estimation des effets résiduels dynamiques parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite lors d'une simulation d'effets statiques avec effets dynamiques résiduels très hautes fréquences. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION D'une manière générale, l'invention propose selon un premier aspect un procédé de détermination des directions de visée des capteurs d'une barrette de détection d'un système de prise de vues embarqué au sein d'un satellite d'observation qui permet de s'affranchir de supersites en étant basé sur deux acquisitions orthogonales (pas nécessairement mono-passe) d'une même scène. L'avantage principal de ce type d'acquisitions est de « décorréler » les effets statiques de la prise de vue des effets dynamiques. On a représenté sur la figure 1 les prises de vues orthogonales d'une image de référence R et d'une image secondaire S d'une même scène conformément à l'invention. Sur cette figure 1, la référence CCD illustre la position de la barrette de détection du système de prise de vue du satellite d'observation. Cette barrette, typiquement du type CCD (« Charge-Coupled Device » désignant un dispositif à transfert de charge), comprend une pluralité de capteurs photosensibles disposés en ligne, par exemple de l'ordre de 4000 à 6000 capteurs par ligne. La référence t illustre quant à elle le déplacement du satellite au cours du temps. On a par ailleurs représenté en bas sur la figure 1 une vue d'ensemble des deux fauchées réalisées par le satellite pour l'obtention des images orthogonales R, S de la même scène. Considérons deux produits issus de prises de vue « orthogonales ». Ces deux produits sont orthogonaux : si les lignes du produitl sont acquis le long du CCD et les colonnes du produitl sont acquis par le temps alors les lignes du produit2 sont acquis par le temps et les colonnes du produit2 sont acquis le long du CCD. L'utilisation de ce couple d'images permet de remonter aux caractéristiques statiques et dynamiques de chacune des prises de vue. La figure 2 est un schéma illustrant les différentes étapes du procédé selon le premier aspect de l'invention. Selon une première étape dite de « mise en géométrie », on choisit dans le couple d'images orthogonales un produit de référence et un produit secondaire. On utilise alors les modèles géométrique de l'image de référence et de l'image secondaire, afin d'injecter dans les images toutes la connaissance délivrée par le système (attitudes, cartographie du plan focal existant...). Les deux images sont alors quasi-superposables. Les seules différences proviennent de la méconnaissance du plan focal et des erreurs d'attitudes résiduelles (non restituées par le Système de Commande d'Attitude et d'Orbite SCAO). Cette étape de « mise en géométrie » consiste ainsi à projeter la première image du couple dans la seconde. Plus précisément, on met en oeuvre une transformation dite de « colocalisation » pour mettre en correspondance toutes les positions lignes, colonnes de la première image avec les positions lignes et colonnes de la deuxième image. On utilise pour ce faire le modèle de localisation directe de la première image (en utilisant toutes les informations contenues dans les données auxiliaires du produit) afin d'obtenir une information sur la position de cette image au sol. On utilise ensuite cette information sol et le modèle de localisation inverse de la seconde image. Selon une seconde étape dite de « corrélation dense », l'image secondaire et l'image de référence sont corrélées. Les lignes de la nappe de disparité résultante comportent des informations sur la cartographie du plan focal et des informations vib2 relatives aux résidus d'attitude de la prise de vue secondaire, tandis que les colonnes de la nappe de disparité correspondent à des informations relatives à la cartographie du plan focal et des informations vibl relatives aux résidus d'attitude de la prise de vue de référence. Ainsi, dans le cadre de l'invention, les deux images corrélées correspondent toutes deux à des prises de vues réalisées par le satellite. De telle manière, il n'est pas nécessaire de recourir à une prise de vue aérienne d'un supersite comme c'était le cas dans la technique antérieure. Un filtrage statistique de la nappe de disparité résultant de la corrélation des deux orthogonales peut être mise en oeuvre afin d'en éliminer les points aberrants. A titre d'exemple non limitatif, on peut calculer, pour chaque ligne (respectivement colonne) de la nappe de disparité, la moyenne et l'écart-type des disparités (décalages), et ne considérer que les points dont la disparité est comprise entre la moyenne moins trois fois l'écart-type et la moyenne plus trois fois l'écart-type. Selon une troisième étape dite de « Statistiques », on vient estimer la cartographie du plan focal et éventuellement les résidus d'attitude de chaque prise de vue. Selon un premier mode de réalisation, on calcule une ligne moyenne et une colonne moyenne sur la nappe de disparité résultant de l'étape de « corrélation dense » (et de préférence après filtrage statistique comme présenté ci-dessus). On fait ensuite les hypothèses selon lesquelles la cartographie du plan focal est un signal modélisable, par un polynôme (par exemple de degré inférieur ou égal à 5) ou par une autre fonction, et les résidus d'attitudes correspondent à des effets hautes fréquences. Dans ce premier mode de réalisation, le procédé comprend ainsi le moyennage d'une ligne et d'une colonne de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour estimer le décalage de la direction de visée d'un capteur parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite. Les décalages des directions de visée des capteurs de la barrette peuvent alors être modélisés sous forme de polynômes, par exemple en mettant en oeuvre un ajustement selon la méthode des moindres carrés. Selon un second mode de réalisation, on met en oeuvre un ajustement bidimensionnel, selon la méthode des moindres carrés, de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour modéliser sous forme de polynômes ou d'autres fonctions les décalages des directions de visée des capteur de la barrette parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite. On retiendra que la solution conforme au premier mode de réalisation basée sur le moyennage des lignes et colonnes présente l'avantage de la simplicité. Lorsque les résidus d'attitude sont nuls, la cartographie du plan focal est directe, sans avoir à formuler d'hypothèses fréquentielles. En revanche, en présence de résidus d'attitude, l'estimation de la cartographie du plan focal est modulée par les effets résiduels dynamiques. On peut alors correctement estimer la cartographie du plan focal en prenant pour hypothèses une modélisation polynomiale pour la cartographie du plan focal et un signal hautes fréquences pour les résidus d'attitude. Il s'avère en outre possible de restituer finement l'attitude de chacune des prises de vue à partir du signal modulé en lui soustrayant simplement la modélisation polynomiale de la cartographie du plan focal. La discussion ci-après détaille différentes simulations réalisées par la Demanderesse. Une chaîne de simulation géométrique permet de simuler d'une part les effets de plans focaux (simulation de modèles polynomiaux en qx et en qy, avec zones inter-barrettes éventuelles), d'autre part les effets dynamiques résiduels (simulations de combinaisons de sinusoïdes paramétrées par leurs périodes, leurs amplitudes ainsi que leurs phasages). Le procédé selon le premier aspect de l'invention a notamment été testé sur différents cas de simulations : - Effets statiques sans effets dynamiques résiduels ; - Effets statiques avec effets dynamiques résiduels très hautes fréquences ; - Effets statiques avec effets dynamiques résiduels moyennes et hautes fréquences ; Deux images tests sont utilisées pour les simulations, une image acquise par le satellite QUICKBIRD et une image issue du capteur aéroporté PELICAN. Tous les résultats sont similaires avec l'une ou l'autre des images. Dans ce qui suit, on désigne par prise de vue 0 la prise de vue acquise en mode standard (composé d'une image 0 et d'une attitude 0). Son orthogonal dans le mode de prises de vue « orthogonale » est désignée par prise de vue 90 (composé d'une image 90 et d'une attitude 90). Dans le cadre ce ces simulations, les effets statiques simulés sont des polynômes de degré inférieur ou égal à 5 pour les directions de visées en x (parallèlement à la trace) et en y (perpendiculairement à la trace), de degré pair pour l'un et de degré impair pour l'autre. Selon un premier cas de simulation, on considère des effets statiques sans effets dynamiques résiduels. La ligne moyenne issue de la nappe de disparité donne des informations sur la cartographie du plan focal et les résidus d'attitudes de l'image 90. La colonne moyenne issue de la nappe de disparité donne quant à elle des informations sur la cartographie du plan focal et les résidus d'attitudes de l'image 0. Ces résidus d'attitudes dans ce cas doivent être nuls. Dans tous les cas la ligne ou colonne moyenne est modélisé par un polynôme degré 5 (par moindres carrés). II est intéressant de noter que les erreurs de corrélation dues au paysage n'apparaîtront pas simultanément sur la ligne et la colonne moyenne. Les figures 3a et 3b représentent l'estimation des décalages des directions de visée respectivement parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite obtenue par la modélisation polynomiale issue de la ligne et colonne moyenne dans ce premier cas de simulation (via une moyenne des deux modélisations). On relèvera ici que lorsque l'on calcule des décalages, on obtient deux grilles de décalages : une grille de décalages le long des lignes et une grille de décalage le long des colonnes. Ainsi, lorsque l'on parle de ligne moyenne (respectivement de colonne moyenne), il s'agit de la ligne moyenne (resp. colonne moyenne) des décalages le long des lignes (pour les informations en x) et de la ligne moyenne (resp. colonne moyenne) des décalages le long des colonnes (pour les informations en y). Sur ces figures 3a et 3b, on a représenté : - en trait plein, l'effet statique simulé modélisant les décalages des directions de visée ; - en trait « bruité », la mesure réalisée dans le cadre de l'invention (par exemple via le calcul d'une ligne ou colonne moyenne sur la nappe de disparité résultant de la corrélation des images orthogonales) ; - en trait pointillé, l'estimation des décalages obtenue par modélisation polynomiale. Les performances des méthodes classiques sont de l'ordre de 0,1 pixels ; on constate qu'avec la méthode de l'invention l'erreur résiduelle est environ 5 fois plus petite. Selon un second cas de simulation, on considère des effets statiques avec effets dynamiques résiduels très hautes fréquences. Dans ce second cas, seule des perturbations hautes fréquences sont présentes. Une hypothèse arbitraire supplémentaire est faite : les amplitudes des résidus d'attitude de la prise de vue 90 sont plus importants (environ 2 fois plus) que ceux de la prise de vue 0, les fréquences caractéristiques sont également différentes. Les simulations sont représentatives d'une spécification de cohérence locale sur un horizon d'une centaine de lignes. L'estimation de la cartographie du plan focal est modulée par les effets résiduels dynamiques. L'hypothèse de modélisation polynomiale pour la cartographie du plan focal et de signal hautes fréquences pour les résidus d'attitudes permettent de correctement estimer la cartographie du plan focal. En outre, il est possible de restituer finement l'attitude de chacune de ces prises de vue à partir du signal modulé estimé en enlevant simplement la cartographie du plan focal (telle qu'estimée par la modélisation polynomiale). On a représenté sur les figures 4a et 4b l'estimation des décalages des directions de visée parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite obtenue par la modélisation polynomiale issue de la ligne et colonne moyenne dans ce second cas de modélisation. On a par ailleurs représenté sur les figures 5a-5d l'estimation des effets résiduels dynamiques parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite dans ce second cas de modélisation. Plus précisément, les figures 5a et 5b représentent les effets résiduels dynamiques restitués sur la prise de vue 90 respectivement en roulis et tangage à partir de la ligne moyenne. Les figures 5c et 5d représentent quant à elles les effets résiduels dynamiques restitués sur la prise de vue 0 respectivement en roulis et tangage à partir de la colonne moyenne. Sur ces figures 5a-5d, on a représenté en trait plein l'effet dynamique simulé et en trait pointillé l'effet dynamique estimé conformément à un mode de réalisation possible du procédé selon le premier aspect de l'invention. On constate également ici des performances globalement 5 fois meilleures que celles atteintes avec les méthodes classiques. En particulier, malgré des perturbations dynamiques résiduelles les erreurs d'estimation de la cartographie du plan focal reste inférieures à 2 centièmes de pixels RMS. II est en outre possible de restituer les attitudes résiduelles. On constate en particulier que les fréquences sont correctement restituées tandis que les amplitudes apparaissent légèrement sous estimées. Selon un troisième cas de simulation, on considère des effets statiques avec effets dynamiques résiduels moyennes et hautes fréquences. Dans ce troisième cas, des perturbations hautes et moyennes fréquences sont présentes. Ce cas est représentatif d'une spécification de cohérence locale sur un horizon d'une centaine de lignes et d'une cohérence locale typique sur un horizon de mille lignes. Les performances sont toujours globalement 5 fois meilleures que celles atteintes avec les méthodes classiques. En particulier, malgré des perturbations dynamiques résiduelles moyennes fréquences, les erreurs d'estimation de la cartographie du plan focal reste inférieures à 3 centièmes de pixel RMS et à 9 centièmes de pixel au maximum. D'une manière générale, on relèvera qu'une fois la cartographie du plan focal estimée, il est possible de restituer plus finement l'attitude. On peut notamment mettre en oeuvre le procédé selon l'invention de manière itérative pour améliorer d'une part l'estimation de la cartographie du plan focal et d'autre part l'estimation des perturbations dynamiques du satellite. On aura compris que l'intérêt principal du procédé selon le premier aspect de l'invention est qu'il autorise la réalisation d'un étalonnage autonome ne nécessitant pas d'images aériennes de supersites. Le procédé permet ainsi de passer outre les contraintes de création, exploitation et entretien des supersites. Ce procédé permet en outre de se passer d'une localisation spécifique (liée aux supersites). II est alors possible de cartographier les plans focaux sur des sites à différentes latitudes, ce qui permet de suivre une éventuelle évolution thermo élastique de la cartographie du plan focal, et d'utiliser en suivi de routine des orbites peu chargée. Ce procédé permet également d'atteindre des précisions de cartographie plus fines que celles obtenues à l'aide des supersites. II a pu être démontré par simulation qu'en utilisant un unique couple de prise de vue, il est possible d'atteindre, et ce quel que soit la résolution (Pélican ou Quickbird), des précisions bien inférieures au dixième de pixel. Les images simulées sont petites (2000x2000), et de grandes images devraient logiquement améliorer la statistique. On notera qu'il est également possible d'utiliser un grand nombre de ces couples orthogonaux, ce qui permettra en recette en vol d'affiner les cartographie (précision accrue en , avec n le nombre de couples utilisé). Enfin, on notera qu'il s'avère également possible de restituer les résidus d'attitude. On comprendra que l'invention n'est pas limitée au procédé selon son premier aspect, mais s'étend également selon un second aspect à un produit programme d'ordinateur comprenant un ensemble d'instructions qui lorsqu'elles sont exécutées par une unité de traitement informatique entraînent ladite unité à exécuter les étapes du procédé selon le premier aspect de l'invention. L'invention s'étend par ailleurs à un système de prise de vues destiné à être embarqué dans un satellite d'observation, lequel système comprend une barrette de détection formée d'une pluralité de détecteurs et un produit programme d'ordinateur selon le second aspect de l'invention qui lorsqu'il est mis en oeuvre permet de réaliser un étalonnage du système de prise de vues. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination des directions de visée des capteurs d'une barrette de détection d'un système de prise de vues embarqué au sein d'un satellite d'observation, mettant en oeuvre une corrélation d'une image de référence d'une scène avec une image secondaire de la scène obtenue par la barrette de détecteurs, caractérisé en ce que l'image de référence et l'image secondaire consistent en des prises de vues orthogonales de la scène obtenues par la barrette de détecteurs. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre le moyennage d'une ligne et d'une colonne de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour estimer le décalage de la direction de visée d'un capteur parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les décalages des directions de visée des capteurs de la barrette sont modélisés sous forme de polynômes. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la modélisation sous forme de polynômes met en oeuvre un ajustement selon la méthode des moindres carrés. 5. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre la mise en oeuvre d'un ajustement bidimensionnel, selon la méthode des moindres carrés, de la matrice obtenue par la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire pour modéliser sous forme de polynômes les décalages des directions de visée des capteur de la barrette parallèlement et perpendiculairement à la trace du satellite. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel l'estimation des décalages des directions de visée des capteurs est modulée par des effets résiduels dynamiques et dans lequel on vient retrancher la modélisation polynomiale à ladite estimation pour estimer les résidus d'attitudes de chacune des prises de vue de l'image de référence et de l'image secondaire. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant préalablement à la corrélation de l'image de référence et de l'image secondaire, une étape de colocalisationdesdites images visant à projeter l'image secondaire dans l'image de référence pour les rendre quasi-superposables. 8. Produit programme d'ordinateur comprenant un ensemble d'instructions qui lorsqu'elles 5 sont exécutées par une unité de traitement informatique entraînent ladite unité à exécuter les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Système de prise de vues destiné à être embarqué dans un satellite d'observation, comprenant une barrette de détection formée d'une pluralité de détecteurs et un programme 10 informatique selon la revendication 8 qui lorsqu'il est mis en oeuvre permet de réaliser un étalonnage du système de prise de vues. 15