Brevet FR3090134A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Système de datation de grande précision de passage d'un objet, notamment d'un satellite [0001] Le domaine de l'invention est celui de la datation précise de l'observation du passage d'un satellite par un télescope optique. Plus généralement, ce procédé peut s'appliquer à l'observation de tout objet en mouvement dont on cherche à déterminer précisément la datation exacte de passage dans le champ d'observation. [0002] Pour de multiples applications, il est nécessaire de déterminer très précisément non seulement la position d'un satellite dans le ciel mais également la datation exacte de cette position. [0003] Comme on le voit sur la figure I, le passage d'un satellite S est détecté par un système optronique terrestre comprenant un télescope 0 et un détecteur d'images non représenté sur la figure 1. Ce système détermine la datation TS du satellite à un point de passage PS. [0004] La précision de détection angulaire dépend de l'optique du télescope, de la résolution de détecteur d'images et de la précision de positionnement du système optronique dans son ensemble. Les moyens techniques actuels permettent d'assurer une très grande précision de cette détection. [0005] Comme on le voit sur la figure 2 qui représente le détecteur d'images D, l'image du satellite laisse une trace 15 sur le détecteur représentée par un trait noir sur cette figure. Cette trace qui a une durée de plusieurs secondes n'est pas datée précisément dans la mesure où ses limites sont mal connues. A titre d'exemple, un satellite qui évolue en orbite basse, réalise un tour de la terre en environ 90 minutes. Sa vitesse de rotation est donc dc plusieurs kilomètres par seconde. [0006] Pour remédier à ce problème, il est possible d'utiliser un obturateur mécanique de haute précision sur la voie optique de réception fonctionnant à grande vitesse dont on connait très précisément les instants d'ouverture et de fermeture. La trace 15 laissée par le satellite est en forme dc pointillés comme on le voit sur la figure 3 qui représente la trace du satellite sur le détecteur d'images D. Cette méthode a plusieurs inconvénients. La précision des datations, de l'ordre de la milliseconde, reste limitée. Par ailleurs, l'obturateur génère des vibrations, nuisibles à la qualité de l'image et à la précision de pointage du télescope. Enfin, ce type de mécanisme est couteux et a une durée de vie limitée dans la mesure où il est très sollicité. [0007] Une seconde solution illustrée sur la figure 4 consiste à utiliser un capteur « CCD » dit « interligne », l'acronyme « CCD » signifiant « Charge Coupled Device ». Le capteur à transfert interligne comporte une série de photodiodes séparées par des 2 registres verticaux de transfert qui sont recouverts par un blindage optique métallique. Après intégration, la charge générée par les photodiodes est transférée vers les registres verticaux. Le principal avantage du transfert interligne est que le transfert des pixels sensibles aux pixels de stockage est rapide. Il n'est donc pas nécessaire d'obturer la lumière incidente. Il est possible de connaître parfaitement les instants de transfert. On dit que le capteur est à « obturation électronique ». [0008] La figure 4 représente un tel capteur à trois instants différents TO, Tl et T2 cor- respondant chacun à une ouverture de l'obturation électronique pendant une durée identique, le temps étant représenté par une horloge sur cette figure. Trois images IO, Il et 12 sont ainsi enregistrées. Le satellite laisse une trace différente ISO, 151 et IS2 sur chaque image qui peut être datée précisément. [0009] La datation de l'image est précise. Cependant, ce type de capteur interligne a un rendement quantique médiocre et un facteur de remplissage surfacique défavorable, compte-tenu de sa structure, la surface occupée par le blindage optique étant perdue. Enfin, le temps de lecture est long et l'intervalle de temps entre deux images peut être rédhibitoire. [0010] Le procédé de datation de passage de satellite par un système comportant un télescope selon l'invention ne présente pas les inconvénients précédents. Il est basé sur une utilisation particulière de capteurs CCD disposant de la fonction « TDI », signifiant « Time Delay Intcgration ». Plus précisément, l'invention a pour objet un système de datation de passage d'un objet mobile lumineux, ledit système comportant au moins un télescope, un système de mesure du positionnement dudit télescope, un système de datation donnant une référence de temps, un calculateur électronique de données, ledit télescope comportant une optique de focalisation, un obturateur mécanique et une matrice de photoréception disposée au foyer de ladite optique de focalisation, ladite matrice étant un capteur « CCD » composée de pixels organisés en lignes et en colonnes comportant la fonction appelée « Décalage Temporel et Intégration» ou « TDI », caractérisé en ce que, lorsque l'objet mobile lumineux passe dans le champ du télescope pendant une période d'ouverture de l'obturateur mécanique, le décalage des charges d'au moins un pixel des lignes du capteur CCD assuré par la fonction TDI est réalisé au moins une fois, à un instant parfaitement déterminé par le système de géolocalisation par satellite, décalant d'autant de pixels la trace lumineuse laissée par l'image de l'objet mobile le long d'une colonne de pixels, le calculateur électronique de données déterminant la position exacte de l'objet mobile à l'instant déterminé en fonction de la connaissance de la position de ce décalage et de la position du télescope. [0011] Typiquement, le système de datation est un récepteur de signaux temporels issus d'un système de géolocalisation par satellite 3 [0012] Avantageusement, pendant une période d'ouverture de l'obturateur mécanique, le décalage des charges est réalisé une pluralité de fois selon une fréquence déterminée, déterminant ainsi une pluralité de positions de l'objet mobile à une pluralité d'instants déterminés. [0013] Avantageusement, le nombre de pixels de décalage est fonction de la période d'ouverture de l'obturateur mécanique. [0014] Avantageusement, le nombre de pixels de décalage est d'au moins cinq pixels. [0015] Avantageusement, la période d'ouverture de l'obturateur mécanique est comprise entre une seconde et dix secondes. [0016] Avantageusement, l'objet mobile lumineux est un satellite. [0017] Avantageusement, les données de position et de datation issues du calculateur élec- tronique sont utilisées comme données d'orbitographie du satellite. [0018] Avantageusement, le télescope comportant un système d'asservissement, les données de position et de datation issues du calculateur électronique sont utilisées comme données d'entrée dudit système d'asservissement. [0019] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : [0020] [fig.1] représente la détection du passage d'un satellite S par un système optronique ; [0021] [fig.2] représente la trace de ce passage sur le photodétecteur du système optronique ; [0022] [fig.3] représente un premier mode de datation de ce passage selon l'art antérieur ; [0023] [fig.4] représente un second mode de datation de ce passage selon l'art antérieur ; [0024] [fig.5] représente le synoptique d'un système de datation de passage d'un objet mobile selon l'invention ; [0025] [fig.6] représente l'évolution dans le temps à un premier instant de la trace du passage dudit objet mobile sur le photodétecteur dans un système selon l'invention ; [0026] [fig.7] représente l'évolution dans le temps à un deuxième instant de la trace du passage dudit objet mobile sur le photodétecteur dans un système selon l'invention ; [0027] [fig.8] représente l'évolution dans le temps à un troisième instant de la trace du passage dudit objet mobile sur le photodétecteur dans un système selon l'invention ; [0028] [fig.9] représentent l'évolution dans le temps de la trace du passage dudit objet mobile sur le photodétecteur dans un système selon l'invention. [0029] A titre d'exemple non limitatif, la figure 5 représente le synoptique d'un système de datation de passage d'un objet mobile lumineux selon l'invention. L'objet lumineux peut être de différente nature. Cependant, l'application principale est la détection du passage des satellites de façon à déterminer parfaitement les données spatiales et temporelles de leurs orbites. [0030] Le système de datation comporte au moins : - un télescope 1 ; - un système de mesure du positionnement 2 dudit télescope ; - un système de géolocalisation par satellite 3 donnant une référence de temps, et ; - un calculateur électronique de données 4. [0031] Le télescope comporte une optique de focalisation 10, un obturateur mécanique 11 et une matrice 12 de photoréception disposée au foyer de ladite optique de focalisation. Le télescope peut être de toute nature. Sur la figure 1, à titre d'exemple, il comporte deux miroirs. D'autres configurations optiques sont possibles. Ses caractéristiques d'ouverture, de champ et de résolution sont adaptées à l'objet à détecter et à la précision attendue. [0032] La matrice 12 est un capteur « CCD », acronyme de « Charge Coupled Device ». Elle est composée de pixels organisés en lignes et en colonnes. Là encore, ses caractéristiques de résolution, de sensibilité et de dynamique sont adaptées à l'objet à détecter et aux performances du télescope. Cette matrice comporte la fonction appelée « Décalage Temporel et Intégration » ou « TDI ». Cette fonction permet de transférer les charges électriques présentes dans un pixel au pixel de la même colonne. Le principal intérêt de ce transfert est qu'il est ainsi possible de cumuler dans un pixel unique les charges issues d'un objet mobile dont l'image se déplace sur les pixels d'une même colonne. Mais, dans le cadre du dispositif selon l'invention, cc transfert n'est pas utilisé à des fins de cumul mais afin de marquer un décalage de pixels sur l'image et notamment sur la trace du mobile qu'elle contient. Le temps de transfert, très précisément caractérisé, peut être très rapide, de l'ordre de quelques nanosecondes ou de quelques dizaines de nanosecondes. [0033] Le système de mesure de positionnement 2 du télescope permet de déterminer sa position et son orientation avec une très grande précision. Il prend en compte la position statique du support du télescope et la position angulaire de sa monture optomécanique. La position angulaire d'une image sur les pixels de la matrice du télescope est également parfaitement connue, à partir des caractéristiques optiques du télescope et des caractéristiques géométriques de la matrice. [0034] Le système de géolocalisation par satellite 3 est du type « GPS », acronyme de « Global Positioning System ». On sait que les références de temps données par les systèmes GPS sont extrêmement précises. La précision est de l'ordre de quelques nanosecondes à quelques dizaines de nanosecondes. [0035] Le calculateur électronique 4 de données comporte différentes fonctions de commande, de contrôle et de calcul. Sa réalisation ne comporte pas de difficultés particulières pour l'homme du métier. [0036] Sa première fonction est de commander l'ouverture et la fermeture de l'obturateur mécanique 11 du télescope, limitant ainsi le temps d'acquisition d'une image sur la matrice de photodétection 12. Sa seconde fonction est de piloter cette matrice de photodétection. En particulier, il assure le décalage des charges d'au moins un pixel des lignes du capteur CCD 12 au moins une fois à un instant parfaitement déterminé par le système de géolocalisation par satellite, décalant d'autant de pixels la trace lumineuse laissée par l'image de l'objet mobile le long d'une colonne de pixels. Généralement, pendant une période d'ouverture de l'obturateur mécanique, le décalage des charges est réalisé une pluralité de fois selon une fréquence déterminée. Par exemple, le décalage des charges peut être réalisé toutes les secondes, le temps d'acquisition étant de cinq secondes. Le nombre de pixels de décalage est fonction de la période d'ouverture de l'obturateur mécanique. A titre d'exemple, le décalage peut être de cinq pixels sur une même colonne. [0037] Les figures 6, 7 et 8 illustrent ce fonctionnement lors du passage d'un satellite dans le champ du télescope. Chacune comporte trois représentations organisées de la façon suivante. La première représentation à gauche de la figure est l'horloge des temps T. La seconde représentation au centre de la figure est la position ouverte ou fermée de l'obturateur 11 aux différents instants T. La troisième représentation à droite de la figure est la trace du satellite -1S sur la matrice de photodétection aux différents instants T. [0038] Sur la figure 6, l'obturateur 11 vient d'ouvrir à l'instant TO, la trace du passage du satellite commence sur la troisième représentation. [0039] Sur la figure 7, l'instant Ti représenté correspond environ à la moitié du temps d'ouverture de l'obturateur. Le calculateur a déjà déclenché deux fois le décalage des charges des pixels, provoquant l'apparition de deux « dents de scie » dans la trace du passage du satellite. [0040] Sur la figure 8, l'instant T2 représenté correspond à l'instant de fermeture de l'obturateur. Le calculateur a alors déclenché cinq fois le décalage des charges des pixels. Ces cinq dents de scie peuvent alors être exploitées par le calculateur. [0041] La figure 9 est un agrandissement de la première dent de scie de la figure 8 laissée par le passage du satellite. Cette partie est représentée par un rectangle en traits fins sur la figure 8. La matrice est organisée en lignes Li et en colonnes ci de pixels Pij. La trace est représentée par des pixels noirs. Sur cette figure 9, le décalage des charges sur les pixels Pij est de cinq pixels. [0042] Le calculateur électronique de données détermine la position du satellite aux instants exacts correspondant aux dents de scie de l'image L'instant et la position de ces dents de scie est parfaitement connu par le calculateur, compte-tenu des informations temporelles fournies par le système GPS et des informations de position fournies par le télescope et sa matrice de photodétection. [0043] La possibilité de réaliser plusieurs mesures d'une grande précision sur une seule et 6 même image peut être utile pour vérifier ou compléter ou modifier les données d'orbitographie du satellite. [0044] Elles peuvent également être utilisées comme données d'entrée du système d'asservissement du télescope. 7