TITRE : Procédé et système pour détecter une ou plusieurs cibles dans l’espace à partir d’images prises depuis un engin spatial tel qu’un satellite d’inspection visuelle, et satellite équipé d’un tel système

DOMAINE DE G INVENTION

La présente invention concerne un procédé pour détecter une ou plusieurs cibles dans l’espace à partir d’images prises depuis un engin spatial tel qu’un satellite d’inspection visuelle. Elle vise également un système pour la mise en œuvre de ce procédé, ainsi qu’un satellite équipé d’un tel système. Le domaine de l’invention est plus particulièrement celui de l’inspection visuelle d’objets spatiaux.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les opérateurs de satellites sont confrontés à des problématiques de maintenance de leurs équipements, ce qui implique de pouvoir réaliser une inspection visuelle dans l’espace en prenant des images de la cible à l'aide d'un imageur depuis un satellite dédié à ces opérations. L’imageur embarqué peut également servir à détecter la position de la cible pour que le satellite s'approche à la bonne distance.

Les imageurs embarqués dans les satellites servent essentiellement à trois fonctions : prendre des images de la Terre. L'angle de vue de l'imageur est alors faible pour avoir une bonne résolution ; prendre des images de leurs panneaux solaires pour s'assurer de leur déploiement. L'angle de vue est alors très large. permettre une opération d’arrimage de type « hard docking », quand un aeronef s'accroche à un autre [2] Là, également, l'angle de vue est large.

Habituellement, l'approche d'une cible est réalisée à l'aide d'un radar qui autorise des distances de détection importantes.

Il existe déjà des procédés de détection d’objet dans l’espace, tel qu’un procédé de détection d’objets spatiaux dans des images satellite vidéo utilisant des informations de mouvement [3] Ce procédé de détection utilise des images de vidéo, c'est à-dire avec un temps réduit entre les images. Les étoiles sont quasiment à la place d'une image à l'autre. Un objet non stellaire se détecte alors facilement car il n’est pas fixe. Ce procédé ne fonctionne que si la cible a une vitesse angulaire vraiment différente de celle du satellite ce qui n'est pas notre cas car le satellite et la cible se trouvent sur des orbites très proches et donc avec des vitesses angulaires très proches.

Il existe des procédés de détection par comparaison avec un catalogue d’étoiles [4], implémentant la prise de vue d’une image unique et une recherche des étoiles visibles sur l'image dans le catalogue embarqué. On peut alors distinguer un objet non stellaire sur l'image. Ce procédé nécessite d'embarquer un catalogue d'étoiles spécifique à l'angle de vue de l'imageur embarqué. Les Star Trackers (ou poursuiveurs d’étoile), possédant ce genre de catalogue, utilisent une optique avec un angle de champ plus large.

Le document US 5512743 divulgue un système satellitaire pour la détection d’objets proches de la Terre. Ce système capture périodiquement deux images de la sphère céleste autour de la terre à l'aide d'une paire de réseaux linéaires de détecteurs optiques orientés de sorte que les lignes d'image des détecteurs sur la sphère céleste sont séparés d’un même angle pour chaque pixel dans l’azimuth. La position des détecteurs linéaires est réglée pour chaque orbite de la terre par le satellite de telle sorte que toute la sphère céleste puisse être imagée.

Le document EPI 168003 Al divulgue un dispositif de mesure de pollution spatiale, destiné à être embarqué sur satellite, comportant : au moins un imageur passif pouvant fournir des images de l'espace; des moyens de détection des débris spatiaux présents sur les images de l'espace, déterminant la trace desdits débris; des moyens de localisation distance des débris détectés, déterminant les distances des débris détectés par rapport au satellite; des moyens de classification des débris localisés, déterminant pour chaque débris localisé sa classe qui est le produit de son albédo moyen par sa surface apparente (surf).

Le but de la présente invention est alors de proposer un procédé et système de détection d’une ou de plusieurs cibles dans l’espace à partir d’images prises depuis un satellite d’inspection visuelle, qui puisse procurer des détections de cibles à plusieurs kilomètres de distance du satellite et d’en déterminer leur trajectoire. EXPOSE DE L’INVENTION

Cet objectif est atteint avec un procédé pour détecter à distance une ou plusieurs cibles dans l’espace en orbite basse autour de la Terre à partir d’un imageur embarqué dans un engin spatial sur une orbite héliosynchrone et devant se rapprocher d'une ou plusieurs cibles situées sur un plan orbital proche, comprenant les étapes suivantes: une acquisition d’images prises séquentiellement d’une zone de l’espace contenant potentiellement lesdites une ou plusieurs cibles, lesdites images étant espacées d’un laps de temps prédéterminé, horodatées et associées à la position inertielle correspondante de l’engin spatial, un réalignement desdites images ainsi acquises au moyen de points de référence représentés par des étoiles,

(i) une détection, au sein des images prises séquentiellement et réalignées, de groupes de pixels quasiment fixes représentant chacun une cible,

(ii) une mesure d’un laps de temps nécessaire pour que ces groupes de pixels ainsi détectés se trouvent décalés d’un nombre prédéterminé de pixels, et

(iii) un traitement de cette mesure de temps pour délivrer des informations de position de ladite une ou plusieurs cibles (1) par rapport audit imageur.

Dans une mise en œuvre avantageuse du procédé de détection selon l’invention correspondant à la détection d’une seule cible, celui-ci comprend les étapes suivantes : acquérir deux images, espacées d’un laps de temps prédéterminé, pour générer une première et une seconde image d’une zone de l’espace contenant potentiellement la cible, lesdites première et seconde images étant horodatées et associées à la position inertielle correspondante de l’engin spatial, réaligner les deux images au moyen de points de référence représentés par des étoiles, réaliser une différence des deux images réalignées, puis traitement de cette différence pour produire une image différentielle, traiter l’image différentielle pour y détecter une cible sous la forme d’un groupe de pixels quasiment fixes, suivre la cible ainsi détectée, par acquisition d’images de la cible ainsi détectée et positionnée, jusqu’à ce que l’image ainsi acquise soit décalée d’un nombre prédéterminé de pixels par rapport à une image de référence préalablement choisie parmi les images déjà acquises, lesdites images ainsi acquises étant horodatées et associées à la position inertielle correspondante de l’engin spatial, mesurer un laps de temps entre la prise de vue de l’image de référence et la prise de vue de la dernière image acquise, et traitement de ce laps de temps ainsi mesuré pour délivrer des informations de position de la cible.

Au moins l’une des phases d’acquisition, de réalignement, ou de différence peuvent être réalisées plusieurs fois, pour confirmer l’emplacement de la cible et s’affranchir d’éventuelles détections erronées dues à des étoiles ou à des erreurs d’acquisition.

L’étape de réalignement peut en outre comprendre un calcul intermédiaire pour corriger une déformation des images en fonction de la focale de l’objectif de l’imageur.

Suivant un autre aspect de l’invention, il est proposé un système pour détecter à distance une ou plusieurs cibles dans l’espace en orbite basse autour de la Terre à partir d’un imageur embarqué dans un engin spatial sur une orbite héliosynchrone et devant se rapprocher d'une ou plusieurs cibles situées sur un plan orbital proche, mettant en œuvre le procédé de détection selon l’invention, ce système comprenant: des moyens pour acquérir des images prises séquentiellement d’une zone de l’espace contenant potentiellement lesdites une ou plusieurs cibles, lesdites images étant espacées d’un laps de temps prédéterminé, horodatées et associées à la position inertielle correspondante de l’engin spatial, des moyens pour réaligner lesdites images ainsi acquises au moyen de points de référence représentés par des étoiles,

(i) des moyens pour détecter, au sein des images prises séquentiellement et réalignées, des groupes de pixels quasiment fixes représentant chacun une cible,

(ii) des moyens pour mesurer un laps de temps nécessaire pour que ces groupes de pixels ainsi détectés se trouvent décalés d’un nombre prédéterminé de pixels, et

(iii) des moyens pour traiter cette mesure de temps pour délivrer des informations de position de ladite une ou plusieurs cibles par rapport audit imageur.

Le système de détection selon l’invention peut avantageusement comprendre ; des moyens pour acquérir deux images, espacées d’un laps de temps prédéterminé, pour générer une première et une seconde image d’une zone de l’espace contenant potentiellement une ou plusieurs cibles, lesdites première et seconde images étant horodatées et associées à la position inertielle correspondante de l’engin spatial, des moyens pour réaligner les deux images au moyen de points de référence représentés par des étoiles, des moyens réaliser une différence des deux images réalignées, puis traitement de cette différence pour produire une image différentielle, des moyens pour traiter l’image différentielle pour y détecter une cible sous la forme d’un groupe de pixels quasiment fixes, des moyens pour suivre la cible ainsi détectée, par acquisition d’images de la cible ainsi détectée et positionnée, jusqu’à ce que l’image ainsi acquise soit décalée d’un nombre prédéterminé de pixels par rapport à une image de référence préalablement choisie parmi les images déjà acquises, lesdites images ainsi acquises étant horodatées et associées à la position inertielle correspondante de l’engin spatial, et des moyens pour mesurer un laps de temps entre la prise de vue de l’image de référence et la prise de vue de la dernière image acquise, et traitement de ce laps de temps ainsi mesuré pour délivrer des informations de position de la cible.

Les moyens d’acquisition d’image peuvent avantageusement comprendre un imageur embarqué dans un satellite d’inspection visuelle.

Les moyens d’acquisition, de réalignement ou de différence d’images peuvent être mis en œuvre plusieurs fois, pour confirmer l’emplacement de la cible et s’affranchir d’éventuelles détections erronées dues à des étoiles ou à des erreurs d’acquisition.

Suivant encore un autre aspect de l’invention, il est proposé un satellite d’inspection visuelle, comprenant un système de détection à distance d’une cible dans l’espace en orbite basse selon l’invention.

Ce satellite d’inspection visuelle peut en outre comprendre des moyens pour contrôler l’orientation d’un imageur intégré dans le système de détection selon l’invention vers la cible. On utilise la caractéristique de la parallaxe, à savoir le déplacement de la position apparente dû au changement de position de l'observateur. En prenant deux images décalées dans le temps et dans l'espace puis en les analysant, on peut détecter des objets fixes ou mobiles et calculer leurs caractéristiques comme leur position, leur vitesse car les objets fixes ne vont pas être affichés au même endroit sur les deux images en fonction de leur éloignement.

Le principe du procédé selon l’invention est ainsi de détecter, dans un premier temps, des pixels quasiment fixes puis, dans un second temps, de mesurer la durée nécessaire à un décalage de ces pixels. Ce procédé est efficace même avec une cible représentée par quelques pixels c'est à dire quand la cible est éloignée de plusieurs kilomètres.

DEFINITIONS

Altitude : hauteur d’un satellite au-dessus de la surface de la Terre Vitesse orbitale: vitesse à laquelle un satellite orbite autour de la Terre Période orbitale: durée mise par un satellite pour accomplir une révolution complète autour de la Terre

Pixel : unité de base permettant de mesurer la définition d’une image numérique matricielle

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :

• La figure 1 illustre des orbites héliosynchrones, avec le soleil se trouvant à la place de l'observateur (dessin non à l'échelle) ;

• La figure 2 illustre des prises de vue décalées réalisées dans le procédé de détection selon l’invention ;

• La figure 3 illustre, en mode de couleurs inversées, deux images représentant la même scène mais avec un décalage latéral dû au déplacement du satellite sur son orbite ; • La figure 4 représente, en mode de couleurs inversées, les deux images de la figure 3, réalignées et différenciées ; et

• la figure 5 est un schéma synoptique d’un exemple de réalisation d’un système/procédé de détection selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

Si on considère, en référence aux figures 1 et 2, l'exemple d'un satellite 2 sur une orbite héliosynchrone (qui permet d’avoir un éclairement latéral de la cible sensiblement constant) devant se rapprocher d’une cible 1 située un plan orbital proche, en référence à la figure 1, ce satellite embarquant l’imageur se trouve entre la Terre et la cible, ainsi ni la Terre ni le Soleil ne se trouvent dans le champ de vision.

Le procédé de détection selon l'invention comprend, en référence à la figure 5, cinq phases:

- prise de vues (PI)

- réalignement (P2)

- différence (P3)

- positionnement (P4)

- suivi (tracking) (P5)

Les données de détection, de positionnement et de distance relative cible-imageur sont ensuite transmises depuis le satellite 2 vers une station de réception terrestre 3 reliée à un serveur 4 de traitement et de fourniture de données spatiales.

On peut aussi prévoir que ces données de détection, de positionnement et de distance relative cible-imageur ne soient pas transmises au sol mais soient exploitées localement dans une boucle d’asservissement lors d’une phase d’approche du satellite 2.

Description des phases

Dans la première phase dite de prise de vues PI, on prend une première image (Image 1), puis, après un laps de temps prédéterminé, on prend une deuxième image (Image 2). La figure 2 représente les angles de vue.

On obtient deux images (figure 3) représentant la même scène mais avec un décalage latéral dû au déplacement du satellite sur son orbite. Note : les couleurs ont été inversées afin de faciliter l’interprétation de cette figure et en permettre la reproduction. Ces images possèdent des caractéristiques particulières : la cible apparaît au même endroit sur les deux images, tandis que les étoiles, elles, sont décalées.

Il est à noter que sur cette figure, la cible est indiquée juste pour information car dans cette phase de prise de vues, on ne connaît pas encore sa position.

Dans la seconde phase dite de réalignement P2, Il faut réaligner les deux images entre elles grâce aux étoiles se trouvant sur les deux images. On connaît théoriquement le décalage entre les deux images puisqu'on fixe le laps de temps entre la prise de vue des 2 images. Il suffît d'ajuster à quelques pixels près dans les quatre directions pour avoir la meilleure précision possible. Un calcul intermédiaire peut être nécessaire pour corriger la déformation des images suivant la focale de l’objectif. L’avantage de ce réalignement est qu'il permet également de corriger les changements d'attitude du satellite.

Dans la troisième phase dite de différence P3, on calcule la différence entre les deux images réalignées. Comme la luminosité des étoiles est sensiblement la même sur les deux images, les groupes de pixels représentant les étoiles sont supprimés, et on détecte facilement les pixels qui n’ont pas changé de place entre Image 1 et Image 2 car ils se retrouvent décalés suite au réalignement, comme l’illustre la figure 4 dont les couleurs ont été inversées pour en permettre la reproduction.

Il est à noter que les phases de prise de vues, de réalignement et de différence peuvent être réalisées plusieurs fois pour confirmer l’emplacement de la cible et s'affranchir de mauvaises détections dues aux étoiles et des erreurs d'acquisition.

Dans la quatrième phase dite de positionnement P4, on calcule la position spatiale de la cible en 2D dès lors qu’on connaît la position de la cible sur les images, le champ couvert par l’imageur, la définition du capteur, et la position du satellite et son attitude (orientation) lors de la prise de vue de chaque image.

Dans cinquième phase dite de suivi (tracking) P5, mise en œuvre une fois que la cible est repérée sur une image, on va se concentrer sur cette zone de l'image, ce qui permet de diminuer le temps d'analyse.

On conserve Image 1 comme référence et on va prendre des images en continu jusqu'à ce que la cible soit décalée de 1 pixel sur la nouvelle image (Image 2) par rapport à Image 1.

En effet, la différence de vitesse angulaire entre le satellite et la cible occasionne un décalage lent. La mesure de temps nécessaire à ce décalage permet de calculer la vitesse angulaire relative de la cible, donc son altitude et donc par conséquent la distance entre le satellite et la cible.

Exemples de formule de calcul et applications numériques

Données concernant l'Imageur

L'imageur possède un angle de vue (Field of View) side-to-side égal à FoV= 7.1° La définition du capteur (Hauteur et Largeur) est :

ResH = 2048 pixels et ResL = 2048 pixels La résolution angulaire en largeur est :

FoV

ResAL = 0.0034667969 ° /pixel

ResL

La résolution angulaire en Hauteur est de :

FnV

ResAH = — — = 0.0034667969 ° /pixel R6SH

Données concernant le Satellite

Quand le satellite se trouve à une altitude AltSat = 550 km, sa période orbitale est, selon les Lois de Kepler [1] :

5738.8226 secondes avec

RTerre = 6378 km (rayon moyen de la Terre) m = 398600.4418 km ³ . s ² (Paramètre gravitationnel standard pour la Terre)

Sa vitesse angulaire est

360

VASat = - = 0.062730637 ° / seconde

PSat Données concernant la Cible

Quand la cible se trouve à une altitude AltCib = 555 km, sa période orbitale est selon les lois de Kepler : 5745.0363 secondes (1) avec

RTerre = 6378 km (rayon moyen de la Terre) m = 398600.4418 km ³ .s ² (Paramètre gravitationnel standard pour la Terre)

Sa vitesse angulaire est :

360

VACib = - - = 0.062662789 °/ seconde

PCib '

Calculs pour trouver le temps optimal entre deux images :

La vitesse angulaire relative du satellite par rapport à la cible est :

VARel = VASat - VACib = 6.7848 x 10 ⁵ ° /seconde (2)

Le temps maximum entre Image 1 et Image 2 doit être choisi pour avoir un décalage de la cible inférieur à un pixel entre les deux images, c'est à dire qu'il est lié à la vitesse angulaire relative et à la résolution angulaire du capteur :

ResAL

TempsMaxl = NPixel x - - = 51 secondes VARel avec NPixel = 1

Mais pour que le réalignement sur les étoiles puisse se faire correctement, il faut que le décalage des étoiles soit inférieur ou égal à 10% de la largeur du capteur :

ResAL

TempsMax2 = 0.1 x ResL x = 11 secondes

VASat

Il faut alors prendre la valeur minimale entre TempsMaxl et TempsMax2.

Le temps minimum entre la prise de vue de Image 1 et celle de Image 2 doit être choisi pour avoir un décalage des étoiles supérieur ou égal à quelques pixels trois pixels entre les deux images, c'est à dire qu'il est lié à la vitesse angulaire du Satellite et la résolution angulaire du capteur : Il

ResAL

TempsMin = N Pixel x = 166 ms

VASat avec NPixel = 3

La valeur du décalage des étoiles peut s'exprimer en fonction du temps entre la prise de vue d’image 1 et celle d’image 2 :

VASat

DecEtoiles = temps x

ResAL

La valeur du décalage de la cible est, quand à elle :

VARel

DecCible = temps x

ResAL

Conclusion : pour la phase prise de vues, le laps de temps entre Image 1 et Image 2 doit être compris entre 166 ms et 11 secondes. Par exemple, avec un laps de temps de 1 seconde entre Image 1 et Image 2, on a un décalage des étoiles de 18 pixels, et un décalage de la cible de 0.02 pixels.

Calculs pour estimer la distance entre le satellite et la cible :

Lors de la phase de suivi (tracking), la vitesse angulaire relative de la cible peut être calculée par rapport au temps nécessaire ( TempsDec ) pour avoir un décalage de un pixel entre Image 1 et Image 2.

Il est à noter que plus le temps nécessaire est important et plus cela implique que la distance entre la cible et le satellite soit faible car la vitesse angulaire relative est faible.

ResAL

VARel = NPix x -

TempsDec avec

VARel = valeur en °/s

NPix = valeur du décalage de la cible en pixels

TempsDec = temps nécessaire pour avoir le décalage de NPix

L'équation (2) précitée permet de trouver la vitesse angulaire de la cible puisque l'on connaît la vitesse angulaire du satellite :

VACib = VASat - VARel ou

ResAL

VACib = VASat - NPix x -

TempsDec

La période estimée d'une orbite de la cible est la durée pour parcourir 360° à cette vitesse angulaire :

360 ou

360

PCib =

ResAL

VASat — NPix x TempsDec

L'altitude se déduit d'après (1) :

RTerre = 6378 km (rayon moyen de la Terre) m = 398600.4418 km ³ . s ² (Paramètre gravitationnel standard pour la Terre)

La distance entre le satellite et la cible :

Avec par exemple un temps mesuré de 60 secondes pour avoir un décalage de 1 pixel de la cible entre Image 1 et Image 2, cela donne une distance satellite-cible de 4.257 km.

Précision sur le calcul de la distance

Si le temps nécessaire n'est plus 60 secondes mais 59 secondes, la distance Satellite-Cible est 4.329 km.

On a donc une résolution de 72 mètres lorsqu'on fait une prise de vue et une analyse chaque seconde. Mais la précision de la mesure peut être augmentée en diminuant le laps de temps entre deux images : puisque dans la phase de suivi (tracking), on se concentre sur une toute petite zone de l'image, le temps d'analyse est fortement réduit.

Avec une prise de vue et son analyse toutes les 100 ms, si le temps nécessaire est de 59.9 secondes, la distance Satellite-Cible est 4.265 km, ce qui donne une résolution de 7.2 mètres. Calculs sur une distance plus courte

Lorsque la cible est représentée sur une image par un groupe avec un nombre de pixels plus important, le principe reste le même, il suffît de prendre le centre de ce groupe ou son bord et de détecter le décalage d'une image à l'autre.

Si le temps nécessaire pour détecter un décalage de 1 pixel de la cible est de 500 secondes, on obtient une distance de 0.510 km

A cette distance, la résolution de la distance est de 1 mètre avec une prise de vue et une analyse chaque seconde. La précision sur la distance augmente lorsque la distance diminue.

Résolution de l'image

A une distance donnée, l'image prise représente une zone de : ce qui permet de donner la résolution de l’image en fonction de la distance :

A 5 km de distance, 1 pixel représente 30.29 cm A 500 m de distance, 1 pixel représente 3.29 cm

Si l'on considère que la cible doit représenter au moins un carré de 2x2 pixels sur chaque image, on peut détecter : une cible de 60 cm de côté à une distance de 5 km. une cible de 100 cm de côté à une distance de 8 km.

Il est à noter que ces pixels représentent des zones éclairées par le soleil, la lune, ou la

Terre. Les zones non éclairées de la cible ne seront pas détectées.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux autres modes de réalisation peuvent être envisagés sans sortir du cadre de la présente invention. En particulier, on peut envisager que le système de détection différentielle selon l’invention puisse être embarqué dans toutes sortes d’engins spatiaux opérant en orbite basse. REFERENCES

[1] "Les 3 lois de Kepler" https://fr.wikipedia.0rg/wiki/Satellite_artificiel#Les_trois _lois_de_Kepler

[2] "Docking with précision" (NASA, 22 Nov 2007) https://www.nasa.gov/missions/shuttle/f_docking.html

[3] Xueyang Zhang, Junhua Xiang and Yulin Zhang "Space Object Détection in Video Satellite Images Using Motion Information" (17 Oct 2017)

[4] J. Cheng, W. Zhang, M. Y. Cong, and H. B. Pan, “Research of detecting algorithm for space object based on star map récognition” (May 2010)