Navigation inertielle aidée par un capteur Ocellus et des données d'environnement MNE/3D – ODIN

ODIN (Ocellus DEM/3D aided Inertial Navigation) est un système de navigation inertielle aidé par un capteur de flot optique multidirectionnel, nommé Ocellus, et un modèle d'environnement. L'Ocellus est constitué d'un assemblage de N capteurs élémentaires de flot optique. Chaque capteur élémentaire contient une mini-caméra et un processeur permettant de calculer à haute cadence le flot optique au centre du plan focal (exemple : composant utilisé dans les souris optiques).

Le modèle d'environnement utilisé dépend de la mission.Pour une navigation à moyenne altitude (~200 m) d’un engin (missile de croisière) au-dessus d’un paysage naturel, l’environnement est représenté par un Modèle Numérique d’Élévation (MNE) qui est une grille régulière d’élévations en coordonnées géographiques. Pour une navigation à très basse altitude (~20 m) d’un engin ( mini-drone) au-dessus d’une zone urbaine, l’environnement est représenté par un modèle polyédrique avec un niveau de détail comparable aux modèles produits par l'IGN à partir d'images tristéréo du système satellitaire Pléiades.

Le système de navigation ODIN permet la localisation absolue d'un engin volant en l'absence du GPS. ODIN se différencie des systèmes d'odométrie visuelle sans connaissance de l’environnement, pour lesquels l’erreur de position croît sans limite du fait de l’intégration des erreurs de mesure de vitesse. Dans le concept ODIN, l’environnement non plat distord le flot optique mesuré dans les N directions de visée de l'Ocellus de manière à identifier rapidement et de manière univoque la position de l’engin par rapport à l’environnement.

La faisabilité de navigation absolue a été démontrée par IC3i dans le cadre d’une étude avec MBDA, pour un survol à moyenne altitude (200 m) d'un paysage naturel modélisé par un MNE Géobase Défense à résolution 1 arc seconde.

L'étude proposée vise à valider le concept ODIN sur la base d'un vol réel instrumenté à moyenne altitude et à démontrer en simulation la faisabilité d’une navigation absolue très basse altitude au-dessus d’une zone urbaine. Elle comporte deux parties, ODIN-MNE et ODIN-3D.

Dans la première partie, correspondant aux tâches 1 et 2, nous proposons d'acquérir des données expérimentales par un vol instrumenté (avec un système LIDAR) au-dessus des Pyrénées reprenant la trajectoire qui a permis de valider le système Scalp naval. L'Ocellus sera simulé par une caméra grand champ à haute cadence vidéo. La trajectoire sera restituée par un GPS différentiel et une centrale inertielle FOG. Le terrain « vrai » sera acquis par fusion de données LIDAR et de données SAR interférométriques. Le filtrage sera effectué, en phase poursuite, par un filtre de Kalman étendu (EKF). Les performances du filtre seront communiquées à MBDA et à la DGA pour comparaison avec les performances actuelles de la navigation référencée terrain par le radioaltimètre du missile Scalp.

Dans la seconde partie, correspondant aux tâches 3 et 4, nous proposons de travailler en simulation pure. Nous réaliserons pour cela deux modèles 3D d'un même environnement urbain. Le premier, à haute définition, permettra d'obtenir par simulation les mesures de flot optique à partir de plusieurs trajectoires simulées. Le second, à basse définition, servira à la prédiction du flot optique à partir de l’état cinématique inertiel. L'utilisation d'un EKF est inapplicable du fait de la non-différentiabilité de la surface représentant l'environnement urbain. L’étude analysera différentes techniques de filtrage non linéaire, dont des filtres particulaires, permettant d’estimer les erreurs du système inertiel (position, vitesse et attitude) augmentés des biais des gyroscopes et des accéléromètres à partir de la comparaison des mesures Ocellus simulées et celles prédites à partir du modèle embarqué de l’environnement.

L'étude se conclura par le dimensionnement optimal du capteur Ocellus pour supporter les deux applications opérationnelles considérées.