Brevet FR3138215A1 — publié le 20240126

Procédé et système de surveillance spatiale infrarouge de jour Un procédé de surveillance spatiale pour détecter des objets spatiaux en orbite autour de la Terre dans des images capturées pendant la journée, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une capture (100) d’une pluralité d’images infrarouges du ciel de jour à l’aide d’un dispositif de prise de vue comportant au moins un capteur infrarouge, - une détection (140 et 150) d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre à partir des images, la détection de points lumineux étant mise en œuvre par un système d’intelligence artificielle fonctionnant par apprentissage profond - une identification (160) de chaque objet détecté à partir d’un catalogue d’objets spatiaux connus en orbite autour de la Terre. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé et système de surveillance spatiale infrarouge de jour L'invention concerne la surveillance d’objets en orbite autour de la Terre à l’aide de capteurs infrarouges à ondes courtes pendant la journée, et plus particulièrement un procédé de surveillance amélioré. Un tel système permet de suivre l'évolution des trajectoires des objets, de cataloguer ces objets et de mettre à jour leurs trajectoires. L'espace proche de la terre est défini comme la part de l'espace situé jusqu'à quelques centaines de milliers de kilomètres de la terre. La surveillance de l’espace proche de la terre concerne donc essentiellement, mais pas seulement, la détection des objets qui sont en orbite autour de la Terre. Le contexte de la présente invention est la hausse du nombre d'objets en orbite autour de la Terre que l'on constate. Ces objets peuvent être, par exemple, des débris ou des satellites opérationnels. Le nombre important d’objets spatiaux en orbite basse (LEO pour « Low Earth Orbit » en anglais), c’est-à-dire situé de 200km à 2000km de la surface terrestre, induit un risque croissant de collisions pouvant mener à long terme à un accroissement de la dégradation de la situation, mais surtout à des risques vis-à-vis des moyens spatiaux opérationnels, qu'ils soient militaires, scientifiques ou commerciaux. Or, chaque année, un nombre croissant de satellites sont lancés en orbite, rendant l'environnement spatial de plus en plus congestionné et contesté. Afin de maîtriser ces risques, il est primordial de cataloguer l'ensemble des objets potentiellement dangereux et de leur associer des paramètres orbitaux valides qui permettent de décrire leurs trajectoires. Observés depuis un point fixe sur la Terre, les objets spatiaux en orbite basse présentent comme caractéristiques de défiler rapidement sur la voûte céleste. En outre, à chaque instant plusieurs objets traversent la sphère céleste en plusieurs endroits. Selon ses paramètres orbitaux chaque objet traverse la voûte céleste locale à intervalles temporels plus ou moins réguliers, allant de quelques dizaines de minutes à plusieurs heures. Des effets divers tels que marée, freinage atmosphérique, pression de radiation, irrégularité du champ gravitationnel terrestre affectent les orbites. Ceci empêche de décrire ces orbites précisément à long terme avec un jeu invariant de paramètres orbitaux. Par ailleurs, la distribution de taille des objets varie d'un rayon caractéristique de quelques millimètres, par exemple les résidus de propulsion, de peinture ou les météorites, à plusieurs dizaines de mètres, notamment les satellites ou systèmes orbitaux artificiels, qu'ils soient opérationnels ou non. Réaliser une surveillance (ou « survey » en anglais) d’objets spatiaux en orbite basse implique de : - détecter les objets spatiaux en orbite basse, sans connaissance a priori de leur existence, ni de leur position, - définir leur trajectoire ou paramètres orbitaux, avec une précision adaptée à l'exploitation envisagée, - mettre à jour, au cours du temps, les paramètres orbitaux des objets détectés. Il est en outre nécessaire de réacquérir les mêmes objets et de rafraîchir la mesure de leurs paramètres orbitaux régulièrement afin que leur précision reste adaptée en fonction de l'exploitation qui doit en être faite, par exemple pour mettre en œuvre les processus d’évaluation de risques de collision. Enfin, le système doit être capable d'affiner sur demande la précision de la connaissance des paramètres orbitaux d'un objet donné, de sorte de pouvoir prédire précisément sa position dans un avenir proche, typiquement quelques jours, en vue par exemple de consolider un risque de collision et de planifier d'éventuelles manœuvres d'évitement. Pour surveiller les objets spatiaux en orbite autour de la Terre, on utilise généralement des télescopes ou des radars. Bien qu’ils soient moins chers et plus faciles à utiliser que les radars, les télescopes au sol sont généralement incapables de voir les satellites à haute altitude pendant la journée à cause du fond de ciel lumineux. Les satellites peuvent également être difficiles à suivre par les radars compte tenu de leur distribution géographique limitée et de leurs limites de portée. En conséquence, il y a des périodes de temps non observées chaque jour pendant lesquelles des objets spatiaux potentiellement dangereux et/ou néfastes peuvent manœuvrer sans être détectés depuis le sol, ce qui pourrait entraîner la perte de la garde des opérateurs de satellites et mettre potentiellement en danger les satellites à proximité. Les télescopes optiques au sol sont contraints de fonctionner pendant la nuit en raison de l'augmentation du bruit d’émission de photons, ou bruit quantique, et du potentiel de saturation du fond de ciel diurne. Bien que certains systèmes au sol aient résolu ces problèmes, ces systèmes sont généralement coûteux. Des satellites de surveillance spatiale peuvent également être utilisés pendant la journée et ne rencontrent pas de problèmes de détection de bruit d’émission de photons, mais sont également coûteux et ont des limites en raison de leurs schémas d'observation, de leur besoin de faire face à l'évitement solaire et de leur latence relativement longue dans l'envoi des données de suivi au sol. Les systèmes de radiofréquences (RF) passifs basés au sol peuvent détecter des objets spatiaux résidents (RSO) pendant la journée, mais ces RSO doivent transmettre activement des données à une station satellite au sol. En conséquence, la plupart des RSO ne sont pas observés pendant la journée, laissant les RSO à proximité vulnérables aux activités dangereuses et/ou néfastes. L’observatoire de Graz en Autriche réalise de la détection laser en pleine journée sur certains objets spatiaux. Mais, l’observation de ces objets se basant sur des capteurs dans le visible, elle est limitée à des objets très lumineux et en orbite basse. Comme cela est indiqué dans l’article « Daytime GEO Tracking with Aquila : Approach and Results from a New Ground-Based SWIR Small Telescope System » de Numerica Corporation, il est connu d’utiliser des ondes infrarouges à courtes longueurs d’ondes pour la surveillance d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre. La plupart des techniques utilisant de telles ondes utilisent de très grand télescopes (supérieurs à 1m de diamètre) et/ou des systèmes optiques à refroidissement cryogénique et n’ont généralement pas pu démontrer une capacité à observer des objets sur une orbite plus éloigné que l’orbite basse de la Terre en pleine journée. Il est également connu des documents US 10740609 et US 9423341 des systèmes de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre en plein jour à l’aide de capteurs infrarouges. Même si ces systèmes présentent des avantages par rapport aux précédents systèmes connus, les systèmes décrits dans ces documents restent complexes et onéreux. Les procédés mis en œuvre impliquent notamment d’utiliser des télescopes spécifiquement calibrés et optimisés pour un fonctionnement dans l’infrarouge (plus onéreux). Les procédés utilisent également des procédés complexes de calibration pour traiter le bruit notamment, les procédés utilisant des développements spécifiques. La présente invention a donc pour but principal de fournir un système et un procédé de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre capable de fonctionner en plein jour et moins onéreux que les systèmes connus. Selon un objet de l’invention, il est proposé un procédé de surveillance spatiale pour détecter des objets spatiaux en orbite autour de la Terre dans des images capturées pendant la journée, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une capture d’une pluralité de prises de vue dans l’infrarouge du ciel de jour à l’aide d’un dispositif de prise de vue comportant au moins un capteur infrarouge, chaque prise de vue dans l’infrarouge comportant une matrice de pixels qui sont associés chacun à une intensité de lumière reçue par un capteur infrarouge, - une détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre à partir des prises de vue capturées, - une identification de chaque objet détecté à partir d’un catalogue d’objets spatiaux connus en orbite autour de la Terre. Selon une caractéristique générale de l’invention, l’étape de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre est mise en œuvre par un système d’intelligence artificielle fonctionnant par apprentissage profond et comportant une pluralité de couches de réseau de neurones artificiels reliées entre elles pour analyser les informations de la couche de neurones précédentes, l’étape de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre comportant : - une détection de points lumineux sur chaque prise de vue, - une discrimination des points lumineux détectés, la discrimination comportant un suivi de chaque point lumineux détecté et stationnaire dans des prises de vue successives, et, un enregistrement des coordonnées des points lumineux détectés à des positions éventuellement différentes et regroupés par ce suivi, l’enregistrement étant réalisé, pour chaque point lumineux détecté, à la suite de sa disparition dans les prises de vue suivantes. En utilisant une intelligence artificielle fonctionnant par apprentissage profond, ou « deep learning » en anglais, pour le traitement des images infrarouges, le procédé selon l’invention présente l’avantage de pouvoir fonctionner à partir d’une calibration simple réalisée à partir d’une vue du ciel qui ne nécessite pas de module ou de développement spécifique. Le « Deep learning », ou apprentissage profond, est l'une des technologies principales du Machine learning, mettant en œuvre des algorithmes capables de mimer les actions du cerveau humain grâce à des réseaux de neurones artificielles composés de dizaines voire de centaines de « couches » de neurones, chacune recevant et interprétant les informations de la couche précédente. Les réseaux de « deep learning » sont entraînés sur la base de structures complexes de données auxquelles ils sont confrontés. Le procédé selon l’invention présente également l’avantage de pouvoir être utilisé par un système doté d’un télescope à réflexion classique qui n’a pas été optimisé pour un fonctionnement avec des ondes infrarouges à courtes longueurs d’ondes. Dans un premier mode de réalisation du procédé de surveillance selon l’invention, les couches de réseaux de neurones artificiels peuvent être calibrées, préalablement à leur utilisation pour détecter des objets spatiaux (satellites, débris, étoiles etc…) présents dans les images infrarouges, par un procédé d’apprentissage supervisé à partir d’une base de différentes images permettant au système d’intelligence artificielle de déterminer les caractéristiques typiques d’un objet spatial (caractéristiques différenciant un point lumineux correspondant à un objet spatial réel du fond de l’image, des pixels chauds, du bruit électronique, etc…). Dans un deuxième mode de réalisation du procédé de surveillance selon l’invention, le procédé peut comprendre, en outre, juste après la capture de prises de vue, une application d’une correction de non-uniformité sur les prises de vue capturées. Dans un troisième mode de réalisation du procédé de surveillance selon l’invention, le procédé peut comprendre, en outre un filtrage de chaque image empilée obtenue. Dans un quatrième mode de réalisation du procédé de surveillance selon l’invention, le procédé peut comporter en outre une formation d’images empilées à partir d’une superposition d’une pluralité desdites prises de vue, chaque pixel d’une image empilée étant associé à une intensité de lumière reçue correspondant à la moyenne des intensités des prises de vue superposées pour le même pixel, la détection d’objets spatiaux utilisant les images empilées comme prises de vue à traiter. Dans un cinquième mode de réalisation du procédé de surveillance selon l’invention, le procédé peut comprendre, en outre, avant l’étape de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre, une étape de délignage de chaque image empilée pour éliminer les défauts en stries sur l’image empilée. Selon un autre objet de l’invention, il est proposé un système de surveillance spatiale pour détecter des objets spatiaux en orbite autour de la Terre, le système comprenant un télescope réflecteur monté sur un support mécanique à déplacement motorisé, un dispositif de prises de vue comportant au moins un capteur infrarouge monté en sortie du télescope réflecteur et configuré pour prendre des séries de prises de vue du ciel de jour à une fréquence comprise entre 1 Hz et quelques centaines de Hertz, et une unité de traitement recevant chaque prise de vue capturée par le dispositif de prises de vue. Selon une caractéristique générale du système de surveillance spatiale selon l’invention, l’unité de traitement peut comprendre un système d’intelligence artificielle fonctionnant par apprentissage profond et comportant une pluralité de couches de réseau de neurones artificiels reliées entre elles pour analyser les informations de la couche de neurones précédentes, l’unité de traitement étant configurée pour réaliser les étapes suivantes à partir des prises de vues reçues : - une détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre à partir des prises de vue capturées, la détection étant réalisée par le système d’intelligence artificielle fonctionnant par apprentissage profond, et - une identification de chaque objet détecté à partir d’un catalogue d’objets spatiaux connus en orbite autour de la Terre, la détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre comportant une détection de points lumineux sur chaque prise de vue, et une discrimination des points lumineux détectés, la discrimination comportant un suivi de chaque point lumineux détecté et stationnaire dans des prises de vue successives, et, un enregistrement des coordonnées des points lumineux détectés à des positions éventuellement différentes et regroupés par ce suivi, l’enregistrement étant réalisé, pour chaque point lumineux détecté, à la suite de sa disparition dans les prises de vue suivantes. Dans un mode de réalisation du système de surveillance spatiale, le dispositif de prises de vue peut comprendre en outre au moins un capteur de lumière visible monté en sortie du télescope réflecteur et configuré pour prendre des séries de prises de vue du ciel de nuit, le système de surveillance spatiale comprenant en outre un module d’alternance jour/nuit permettant de changer le type de capteur recevant la lumière du ciel en fonction de l’intensité lumineuse environnementale D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. La représente un procédé de surveillance spatiale selon un mode de mise en œuvre de l’invention. La représente un système de surveillance spatiale selon un premier mode de réalisation de l’invention. La représente un système de surveillance spatiale selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Sur la est représenté schématiquement un système de surveillance spatiale selon un premier mode de réalisation de l’invention. Le système 1 de surveillance spatiale est configuré pour détecter des objets spatiaux en orbite autour de la Terre. Le système 1 comprend un télescope réflecteur 2 monté sur un support 3 mécanique à déplacement motorisé, un dispositif 4 de prises de vue monté en sortie du télescope réflecteur 2 et comportant au moins un capteur infrarouge 40, et une unité de traitement 5 recevant chaque prise de vue capturée par le dispositif 4 de prises de vue. Le dispositif 4 de prises de vue est configuré pour prendre des séries de prises de vue du ciel de jour à une fréquence comprise entre 1 Hz et quelques centaines de Hertz. Le temps de pose pour chaque prise de vue est réglé pour limiter la saturation du capteur infrarouge 40. L’’unité de traitement 5 comprend un système d’intelligence artificielle 50 fonctionnant par apprentissage profond et comportant une pluralité de couches de réseau de neurones artificiels reliées entre elles pour analyser les informations de la couche de neurones précédentes. L’unité de traitement 50 est configurée pour mettre en œuvre un procédé de surveillance spatiale dans des images capturées pendant la journée. Sur la est représenté un tel procédé de surveillance selon un mode de mise en œuvre de l’invention. Dans une première étape 100 du procédé, on réalise une capture d’une pluralité d’images infrarouges du ciel en pleine journée à l’aide du dispositif 4 de prise de vue et de son capteur infrarouge 40. Chaque image infrarouge comporte une matrice de pixels qui sont associés chacun à une intensité de lumière reçue par le capteur infrarouge. Dans une deuxième étape 110 du procédé, on réalise une correction de la non-uniformité de réponse des pixels pour chaque image capturée. Cette correction est faite via l’acquisition préalable d’une image uniforme de référence, acquise directement sur ciel dans une zone dépourvue d’objets lumineux (étoiles ou satellites). Cette calibration ne nécessite pas de démontage du capteur, ni de matériel complémentaire. Dans une étape suivante 120 du procédé, on réalise des empilements d’une pluralité d’images capturées successivement. L’image empilée obtenue est réalisée par la superposition des images infrarouges de l’empilement. Chaque pixel d’une image empilée est associé à une intensité de lumière reçue correspondant à la moyenne des intensités des images infrarouges superposées pour le même pixel. Dans une étape suivante 130, on réalise ensuite un délignage, ou « destriping » en anglais, pour chaque image empilée. Le délignage permet d’éliminer les défauts en stries qui peuvent apparaître sur l’image empilée à cause de la superposition des images infrarouges. Dans une étape suivante 140, on réalise une détection des points lumineux, ou « plot detection » en anglais », sur chacune des images empilées délignées. Cette étape consiste en une extraction des points lumineux par rapport au bruit de fond. Cette étape de détection des points lumineux 140 peut être précédée d’un filtrage d’image classique (type moyenneur) pour réduire le bruit de fond et améliorer les performances de la détection. L’étape 140 de détection des points lumineux est mise en œuvre par le système d’intelligence artificielle 50 fonctionnant par apprentissage profond et comportant une pluralité de couches de réseau de neurones artificiels reliées entre elles pour analyser les informations de la couche de neurones précédentes. Dans une étape suivante 150, on réalise une discrimination des points lumineux détectés à l’étape précédente 140 en étoiles ou satellites. Cette discrimination comporte un suivi des points lumineux détectés et stationnaires dans les images (ces points stationnaires appartiennent donc au même objet spatial). Et dès lors que tous les points d’un même objet spatial sont listés, on réalise un enregistrement des coordonnées des points lumineux détectés à des positions éventuellement différentes et regroupés par ce pistage. Autrement dit, l’enregistrement est réalisé dès lors que point lumineux détecté disparaît sur les images suivantes. La détection d’objets spatiaux à l’étape 150 permet ainsi d’obtenir les objets spatiaux en orbite autour de la Terre présents dans les images. Dans une étape suivante 160, les objets détectés sont comparés aux objets répertoriés dans un catalogue d’objets spatiaux connus en orbite autour de la Terre. Le catalogue répertorie les objets spatiaux connus en orbite autour de la Terre en y indiquant les différentes caractéristiques de l’objet spatial : ses dimensions, son orbite, et différentes caractéristiques intrinsèques. Dans une étape suivante 170, de nouvelles caractéristiques sont extraites à partir des objets détectés dans les images empilées, pour soit mettre à jour les informations relatives à cet objet spatial s’il est déjà répertorié dans le catalogue, ou pour ajouter un nouvel objet spatial dans le catalogue. Les couches de réseaux de neurones artificiels sont calibrées, préalablement à leur utilisation pour détecter des objets spatiaux (étoiles, satellites, débris, etc…), par un procédé d’apprentissage supervisé à partir d’une base de différentes images permettant au système d’intelligence artificielle de déterminer les caractéristiques typiques d’un objet spatial (étoiles, satellites, débris, etc…). La calibration est effectuée sur un jeu d’images de simulation qui ont été générées pour reproduire des images typiques issues du capteur. Chaque image de simulation comprend un fond et du bruit de fond, des plots lumineux correspondant soit à des étoiles, soit à des objets spatiaux, soit à des défauts du capteur. A chaque image ainsi créée, on associe sa vérité, soit les positions des objets réels dans l’image (étoiles et satellites). Un grand nombre d’images est ainsi créé et sert de base d’apprentissage au réseau de neurones. La présente invention permet ainsi de fournir un système et un procédé de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre capable de fonctionner en plein jour et moins onéreux que les systèmes connus. Procédé de surveillance spatiale pour détecter des objets spatiaux en orbite autour de la Terre dans des images capturées pendant la journée, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une capture (100) d’une pluralité de prises de vue dans l’infrarouge du ciel de jour à l’aide d’un dispositif de prise de vue comportant au moins un capteur infrarouge, chaque prise de vue dans l’infrarouge comportant une matrice de pixels qui sont associés chacun à une intensité de lumière reçue par un capteur infrarouge, - une détection (140 et 150) d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre à partir desdites prises de vue, - une identification (160) de chaque objet détecté à partir d’un catalogue d’objets spatiaux connus en orbite autour de la Terre, - le procédé étant caractérisé en ce que l’étape de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre est mise en œuvre par un système d’intelligence artificielle fonctionnant par apprentissage profond et comportant une pluralité de couches de réseau de neurones artificiels reliées entre elles pour analyser les informations de la couche de neurones précédentes, l’étape de détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre comportant : - une détection (140) de points lumineux sur chaque prise de vue, - une discrimination (150) des points lumineux détectés, la discrimination comportant un suivi de chaque point lumineux détecté et stationnaire dans des prises de vue successives, et, un enregistrement des coordonnées des points lumineux détectés à des positions éventuellement différentes et regroupés par ce suivi, l’enregistrement étant réalisé, pour chaque point lumineux détecté, à la suite de sa disparition dans les prises de vue suivantes. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les couches de réseaux de neurones artificiels sont calibrées, préalablement à leur utilisation pour détecter des objets spatiaux, par un procédé d’apprentissage supervisé à partir d’une base de différentes images permettant au système d’intelligence artificielle de déterminer les caractéristiques typiques d’un objet spatial. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre, juste après la capture (100) de prises de vue, une application (110) d’une correction de non-uniformité sur les prises de vue capturées. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un filtrage de chaque prise de vue. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, comportant en outre une formation (120) d’images empilées à partir d’une superposition d’une pluralité desdites prises de vue, chaque pixel d’une image empilée étant associé à une intensité de lumière reçue correspondant à la moyenne des intensités des prises de vue superposées pour le même pixel, la détection (140 et 150) d’objets spatiaux utilisant les images empilées comme prises de vue à traiter. Procédé selon la revendication 5, comprenant en outre, avant l’étape de détection des points lumineux, une étape de délignage (130) de chaque image empilée pour éliminer les défauts en stries sur l’image empilée. Système (1, 10) de surveillance spatiale pour détecter des objets spatiaux en orbite autour de la Terre, le système (1) comprenant un télescope réflecteur (2) monté sur un support (3) mécanique à déplacement motorisé, un dispositif (4, 4’) de prises de vue comportant au moins un capteur infrarouge (40) monté en sortie du télescope réflecteur (2) et configuré pour prendre des séries de prises de vue du ciel de jour à une fréquence comprise entre 1 Hz et quelques centaines de Hertz, et une unité de traitement (5) recevant chaque prise de vue capturée par le dispositif de prises de vue, caractérisé en ce que l’unité de traitement comprend un système d’intelligence artificielle (50) fonctionnant par apprentissage profond et comportant une pluralité de couches de réseau de neurones artificiels reliées entre elles pour analyser les informations de la couche de neurones précédentes, l’unité de traitement étant configurée pour réaliser les étapes suivantes à partir des prises de vues reçues : - une détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre à partir des prises de vue capturées, la détection de points lumineux étant réalisée par le système d’intelligence artificielle fonctionnant par apprentissage profond, et - une identification de chaque objet détecté à partir d’un catalogue d’objets spatiaux connus en orbite autour de la Terre, la détection d’objets spatiaux en orbite autour de la Terre comportant une détection (140) de points lumineux sur chaque prise de vue, et une discrimination (150) des points lumineux détectés, la discrimination comportant un suivi de chaque point lumineux détecté et stationnaire dans des prises de vue successives, et, un enregistrement des coordonnées des points lumineux détectés à des positions éventuellement différentes et regroupés par ce suivi, l’enregistrement étant réalisé, pour chaque point lumineux détecté, à la suite de sa disparition dans les prises de vue suivantes. Système (10) de surveillance spatiale selon la revendication 7, dans lequel le dispositif (4’) de prises de vue comprend en outre au moins un capteur de lumière visible (42) monté en sortie du télescope réflecteur (2) et configuré pour prendre des séries de prises de vue du ciel de nuit, le système (10) de surveillance spatiale comprenant en outre un module d’alternance jour/nuit (44) permettant de changer le type de capteur recevant la lumière du ciel en fonction de l’intensité lumineuse environnementale.