Brevet FR3132142A1 — publié le 20230728

La présente invention concerne un sextant électronique astral, pouvant utiliser indifféremment les étoiles, le soleil, la lune, les planètes pour fonctionner. Le sextant est un appareil destiné à mesurer la hauteur d'un astre au-dessus de l'horizon. Avec l'aide de tables astronomiques, on peut en déduire la latitude et la longitude du lieu d'observation. SEXTANT ELECTRONIQUE ASTRAL DIURNE ET NOCTURNE A PLATEFORME INERTIELLE Domaine de l’invention La présente invention concerne un sextant électronique astral, pouvant utiliser indifféremment les étoiles, le soleil, la lune, les planètes pour fonctionner. Le sextant est un appareil destiné à mesurer la hauteur d'un astre au-dessus de l'horizon. Avec l'aide de tables astronomiques, on peut en déduire la latitude et la longitude du lieu d'observation. Il a été conçu pour la navigation marine et peut être aussi utilisé pour se repérer sur terre ou dans les airs. La mesure de la hauteur du soleil dans le ciel à midi indique par exemple la latitude du lieu pour peu que l'on connaisse la date. Ainsi, le jour de l’équinoxe, à Midi, si le Soleil est sur l’horizon, on est au pôle nord (latitude 90°) ; s'il se trouve au zénith, on est sur l'équateur (0°) ; s'il est à 30°, on est à (90-30) = 60° de latitude nord. La nuit, on peut se servir du sextant pour mesurer la hauteur angulaire dans le ciel d'étoiles reconnaissables puis regarder sur des tables astronomiques pour trouver, là aussi, la latitude du lieu. Un sextant mécanique est composé d'une petite lunette, pour viser l'horizon, de deux miroirs (qui projettent l'image de l'objet visé), de filtres éventuels (pour le Soleil), d'un bras mobile et d'un arc de cercle gradué. L'angle d'ouverture est de 60°, soit un sixième de cercle, d'où le nom de l'instrument. Le sextant est une amélioration de l'octant, plus ancien, qui s’ouvrait sur 45°, soit un huitième de cercle. Le développement de l’électronique a conduit à remplacer les organes mécaniques par des solutions optoélectroniques. Etat de la technique Le brevet FR3007128 décrit une solution antérieure de sextant électronique à système inertiel trois axes et procédé de détermination de la position permet de calculer sa position à partir d’une plateforme inertielle tridimensionnelle et d’une caméra que l’on pointe sur la voute. On connaît aussi dans l’état de la technique la demande de brevet européen EP2472224 divulguant un système et une méthode de détermination de la position à l’aide d'un dispositif électronique comportant une caméra pour l’acquisition d’une image céleste avec au moins un objet céleste. Le dispositif comprend un indicateur d'objet céleste pour la sélection d'un objet céleste. La position du dispositif électronique est déterminée en comparant l'emplacement de l'objet céleste détecté sur l'image et les informations d'angle calculé à l’instant de la prise de vue avec le contenu d’une base de données. Le brevet EP3447447 décrit une autre solution de détection de position, comprenant au moins les étapes : capter au moins un paramètre d'ensoleillement avec un moyen de détection, déterminer la position du moyen de détection en faisant correspondre le paramètre de lumière du soleil avec une table de position du soleil, la table de position du soleil comprenant des données concernant la position du soleil en fonction de la date et de l'heure. Les moyens de détection comprennent plusieurs unités photoréceptrices se référant chacune à une autre direction cardinale, et une unité principale de barrière photoélectrique agencée entre les unités réceptrices de lumière pour réduire la quantité de lumière atteignant une autre unité réceptrice en fonction d'un angle d'incidence de la lumière solaire, en particulier d'un angle entre la lumière solaire et l'horizontale. On connaît également le modèle d’utilité chinois CN202748024U proposant un sextant semi-automatique permettant de mesurer en temps réel l’angle d’observation d’un astre. La demande de brevet américain US2006282217 décrit un procédé pour déterminer un emplacement terrestre d'un appareil qui est déployé dans une région géographique généralement connue. Un appareil optoélectronique capture une image du ciel à partir d'un emplacement terrestre à un moment déterminé. La position de l’appareil est alors déterminée par une mise en correspondance de l’image céleste capturée par l’appareil par rapport à une cartographie habituelle du ciel depuis la surface de la Terre. La demande de brevet japonais JP2006153473 propose un autre terminal portable pour déterminer la position actuelle basée sur un groupe date - heure, et sur l'azimut et l'angle d'élévation d'un corps céleste. Lorsque ce terminal portable est dirigé en direction du soleil, on actionne un bouton de début de mesure du temps, et du magnétisme terrestre ainsi que le groupe date - heure. Un processeur calcule la longitude de l'endroit de la mesure ainsi que la latitude en utilisant une table montrant la relation entre le temps présent stocké dans la mémoire, l'altitude du soleil et la latitude du présent point. Inconvénient des solutions de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur comme celle objet de la présente invention ont pour objectif de calculer la position d’un mobile à partir de l’observation d’étoiles et de la mesure de la verticale locale. Toutefois, avec les solutions de l’art antérieur, le calcul est réalisé soit avec des approximations qui ne sont pas compatibles avec une recherche de performance en précision, soit avec des systèmes portables ou orientables qui demandent à l’utilisateur de pointer une direction particulière du ciel. La qualité de la mesure est donc fortement dépendante de la précision de l’orientation du dispositif de visée : dans les solutions de l’art antérieur, l'utilisateur du sextant va pointer l'instrument vers une étoile de la voûte céleste. La connaissance précise du site et la connaissance approximative de l'azimut permet de reconnaître l'étoile. L'étoile reconnue est caractérisée par un vecteur étoile exprimé dans le repère Terrestre. Lors de l'acquisition de l'image, le système électronique intégré au sextant va mesurer la verticale locale de l'axe optique. Il va ainsi déterminer le site de l'étoile observée exprimé dans le trièdre géométrique local (TGL). Solution apportée par l’invention La présente invention vise à remédier à cet inconvénient en proposant une solution installée à poste fixe sur un porteur mobile, et permettant de réaliser des mesures de jour comme de nuit, sans nécessité de pointage. A cet effet, l’invention concerne selon son acceptation la plus générale un sextant électronique comprenant une caméra dédié à l’acquisition d’images des astres célestes de faible luminosité ainsi qu’un moyen délivrant un signal représentatif de l'angle formé par l'axe optique d'une caméra par rapport à la verticale locale, dans le référentiel terrestre local, une horloge et une caméra associée à un calculateur commandé par un logiciel de reconnaissance d'astres célestes pour déterminer les coordonnées des astres dans le repère inertiel de l'univers J2000, ledit sextant comporte une mémoire dans laquelle sont enregistrées les données pour la détermination d'une matrice de transformation permettant de recalculer les coordonnées des astres célestes dans le référentiel terrestre local caractérisé en ce que ledit sextant comporte en outre un filtre de réduction de la luminosité pour l’acquisition diurne de la position du soleil. Selon une première variante, ledit filtre de réduction de la luminosité est rétractable par rapport à une caméra unique, pour l’acquisition diurne de la position du soleil lorsque ledit filtre est placé dans le champ de ladite caméra, et pour l’acquisition des astres célestes de faible luminosité lorsque ledit filtre est rétracté. Selon une deuxième variante, le sextant comporte une première caméra pour l’acquisition des images nocturnes et une seconde caméra équipée dudit filtre de réduction de la luminosité pour l’acquisition diurne de la position du soleil. Selon une première variante, ledit moyen délivrant un signal représentatif de l'angle formé par l'axe optique par rapport à la verticale locale dans le référentiel terrestre local est un système inertiel trois axes intégré audit sextant Selon une deuxième variante, ledit moyen délivrant un signal représentatif de l'angle formé par l'axe optique par rapport à la verticale locale dans le référentiel terrestre local dans le référentiel terrestre local est constitué par une entrée d’un signal provenant d’un système inertiel d’un véhicule support accouplé mécaniquement avec ledit sextant. De préférence, la ou lesdites caméras présentent un champ optique supérieur à 90°. Avantageusement, ledit logiciel commande la détermination de l’attitude et de la position de l’utilisateur à partir d’un même astre identifié sur une pluralité d’images successives. Selon une variante, ledit logiciel commande la détermination de l’attitude et de la position de l’utilisateur à partir d’une pluralité d’astres différents identifiés sur une image. L’invention concerne aussi un procédé pour le calcul de l’attitude d’un sextant susvisé, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de comparaison des vecteurs-astres mesurés par une caméra et desdits vecteurs-astres de référence identifiés dans un catalogue astronomique ou par des éphémérides. L’invention concerne aussi un procédé pour le calcul de la position d’un sextant présentant les caractéristiques susvisées, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de fusion de l’attitude avec la donnée de verticale locale obtenue par la plateforme inertielle 3D interne ou externe. L’invention concerne aussi un programme d’ordinateur comprenant des portions de programme pour l’exécution des étapes du procédé susvisé. Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où : la est une vue en perspective d’un sextant selon l’invention. Principe général de l’invention décrite L’invention concerne un sextant dont les principes de fonctionnement sont ceux décrits dans le brevet français FR3007128 notamment en ce qui concerne les bases astronomiques, la détermination du vecteur étoile exprimé dans le repère Terrestre et l’exploitation de cette information pour la détermination de la position et/ou de l’altitude du sextant. Le sextant objet de l’invention se distingue de celui décrit dans l’art antérieur par le fait qu’il comporte deux caméras (10, 20) à large champ de vue, dite « fisheye », avec un angle de champ supérieur à 90°. La première caméra (10) est une caméra de jour protégée par un filtre solaire (11). Elle a pour fonction d’acquérir la position du soleil et optionnellement des astres célestes visibles le jour. La second caméra (20) est une caméra nocturne, de plus grande sensibilité, protégée par un hublot de nuit (21) opacifiable pour éviter une exposition à une intensité lumineuse excessive. Cette seconde caméra (20) a pour fonction d’acquérir une pluralité d’astres céleste de nuit. Optionnellement, le dispositif peut comporter deux volets motorisés permettant de protéger les deux caméras (10, 20) lorsqu’elles ne sont pas en service. L’ensemble optique est fixé sur un cadre rigide enfermé dans un boîtier (1). Le système comprend également une centrale inertielle trois axes (30). Cette centrale inertielle (30) peut être intégrée dans le boîtier (1). Elle peut également être remplacée par une entrée du signal fourni par une centrale inertielle équipant un support tel qu’un véhicule terrestre ou maritime sur lequel le boîtier (1) est fixé de manière rigide. Cette centrale inertielle (30) interne ou externe délivre un signal représentatif de l’angle formé par les axes optiques des deux caméras (10, 20) par rapport à la verticale locale, dans le référentiel terrestre local. Ces signaux sont transmis par un circuit électronique (40) à un calculateur (50) commandé par un logiciel, et une horloge. Le logiciel détecte les astres, réalise la reconnaissance d’astres célestes par comparaison de motif pour les étoiles ou par pré-désignation ou caractérisation pour les autres astres. Le système comporte une mémoire dans laquelle sont enregistrées les données de position des astres, les algorithmes et l’information de temps (groupe date – heure) permettant au logiciel de réaliser les calculs de passage d’un repère de référence inertiel (J2000 ou autre) dans lequel sont déterminés les positions des astres vers le repère Terrestre. Avantageusement, la caméra est configurée pour la capture d’une pluralité d’astres (étoiles, soleil, lune planètes) dans le champ optique large de la caméra. Entendu que l’attitude est définie comme la position angulaire d’un objet mobile dans un repère de référence, l’invention concerne également un procédé pour le calcul de l’attitude du sextant dans le repère de référence qui peut être J2000, le repère Terrestre ou le trièdre géographique local, par comparaison des vecteurs étoiles mesurés et des vecteurs étoiles de référence. L’invention concerne également un procédé pour le calcul de position d’un sextant à partir de l’attitude de la caméra et de la détermination de la verticale locale par un système inertiel trois axes. L’invention concerne également un programme informatique pour la commande d’un équipement comportant deux caméras à large champ, un calculateur et une centrale inertielle (ou un inclinomètre) trois axes, caractérisé en ce qu’il détermine son attitude dans un repère de référence (J2000, Repère terrestre ou TGL) et sa position en fusionnant l’attitude et la donnée de verticale locale obtenue par la centrale inertielle. Le sextant permet de déterminer l’attitude et la position de l’utilisateur à partir de : - Un astre vu à plusieurs instants différents (exemple : soleil, lune, étoile, planète) - Plusieurs étoiles (en fonction de la disponibilité des informations initiales ou pas) vues en 1 fois par l’optique à large champ. Réalisation alternative Le principe général des sextants selon la présente invention est de permettre l’utilisation deux voies : l'une de jour et l'autre de nuit. La description qui précède concerne une réalisation mettant en œuvre deux caméras, l’une pour l’acquisition des images nocturnes, l’autre pour l’acquisition des images diurnes ou encore l'utilisation de la voie "nuit" combinée à l'acquisition "jour" pour détecter la Lune ou certaines planètes en plein jour afin d’accélérer la mesure et optimiser la précision. Il est toutefois également possible de mettre en œuvre l’invention avec une caméra unique associée à un système de filtre rétractable placé devant l’objectif. Ce filtre est positionné devant l’objectif lors de l’acquisition d’image diurnes, et effacé lors de l’acquisition d’images nocturnes. Cette variante présente notamment un intérêt concernant le domaine aéronautique car il permet un allégement de la masse, une diminution du volume, et ne nécessite qu’un seul orifice sur la peau de l'avion, du drone ou du missile. - Sextant électronique comprenant au moins une caméra dédiée à l’acquisition d’images des astres célestes de faible luminosité ainsi qu’un moyen délivrant un signal représentatif de l'angle formé par l'axe optique d'une caméra par rapport à la verticale locale, dans le référentiel terrestre local, une horloge et un calculateur exécutant un logiciel de reconnaissance d'astres célestes pour déterminer les coordonnées des astres dans le repère inertiel de l'univers J2000, ledit sextant comporte une mémoire dans laquelle sont enregistrées les données et les algorithmes pour la détermination d'une matrice de transformation permettant de recalculer les coordonnées des astres célestes dans le référentiel terrestre local caractérisé en ce que ledit sextant comporte en outre un filtre de réduction de la luminosité pour l’acquisition diurne de la position du soleil. - Sextant électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit filtre de réduction de la luminosité est rétractable par rapport à une caméra unique, pour l’acquisition diurne de la position du soleil lorsque ledit filtre est placé dans le champ de ladite caméra, et pour l’acquisition des astres célestes de faible luminosité lorsque ledit filtre est rétracté. - Sextant électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte une première caméra pour l’acquisition des images nocturnes et une seconde caméra équipée dudit filtre de réduction de la luminosité pour l’acquisition diurne de la position du soleil. - Sextant électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen délivrant un signal représentatif de l'angle formé par l'axe optique desdites au moins une caméra, par rapport à la verticale locale dans le référentiel terrestre local, est un système inertiel trois axes intégré audit sextant - Sextant électronique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit moyen délivrant un signal représentatif de l'angle formé par l'axe optique par rapport à la verticale locale dans le référentiel terrestre local est constitué par une entrée d’un signal provenant d’un système inertiel d’un véhicule support accouplé mécaniquement avec ledit sextant. - Sextant selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite ou lesdites caméras présentent un champ optique supérieur à 90°. – Sextant selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit logiciel commande la détermination de l’attitude et de la position dudit sextant à partir d’un même astre identifié sur une pluralité d’images successives. – Sextant selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit logiciel commande la détermination de l’attitude et de la position dudit sextant à partir d’une pluralité d’astres différents identifié sur une image. – Procédé pour le calcul de l’attitude d’un sextant présentant les caractéristiques de la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de comparaison des vecteurs-astres mesurés par une caméra et desdits vecteurs-astres de référence identifiés dans un catalogue astronomique ou par des éphémérides. – Procédé pour le calcul de la position d’un sextant présentant les caractéristiques de la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de fusion de l’attitude avec la donnée de verticale locale obtenue par la plateforme inertielle 3D interne ou externe.