GéoPol - Géolocalisation sans GPS grâce à la lumière polarisée du ciel en bande spectrale UV et visible.

GeoPol - Skylight polarization based geolocation in GPS denied environment.

• Auteur / Autrice : Thomas Kronland-martinet
• Direction : Stéphane Viollet, David Duche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences du Mouvement Humain - MRS
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences du mouvement humain (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISM - Institut des Sciences du Mouvement Etienne Jules Marey
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes Bio Inspirés (SBI)
• Jury : Président / Présidente : Anne Sentenac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Viollet, David DUCHé, Simon Benhamou, Pascal Vasseur, Yann Battie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Vasseur, Yann Battie

Mots clés

Mots clés libres

Compas céleste

Vision polarisée

Géolocalisation

Environnement sans GPS

Diffusion de Rayleigh

Caractérisation de capteur polarimétrique

Celestial compass

Polarized vision

Geolocation

UV-visible

GPS-denied environment

Polarimetric sensor characterization

Résumé

Les systèmes de navigation par satellite permettent de se géolocaliser avec précision et de manière simple. Cependant, ces dispositifs peuvent voir leurs signaux détériorés, volontairement ou non, par exemple suite à un brouillage des signaux. La fusion de données satellitaires avec des données issues de divers dispositifs de navigation, tels que les centrales inertielles ou lidars, permettent de pallier ces inconvénients. Néanmoins, malgré ces améliorations, les systèmes de navigation actuels restent vulnérables. La redondance d’information est essentielle pour assurer la fiabilité des systèmes de navigation, de plus en plus autonomes. Cette redondance est présente également chez les animaux migrateurs utilisant des informations issues du champ magnétique terrestre, des étoiles, ou encore du motif de polarisation du ciel pour naviguer. Ce dernier, encore peu utilisé, permet la navigation céleste de jour sans nécessiter une vue directe du soleil, le rendant ainsi compatible avec la navigation en milieu urbain, par exemple. Dans ce manuscrit de thèse, nous nous proposons d’étudier le motif de polarisation du ciel, afin de développer un système de géolocalisation sans satellite. Cette possibilité a pu être envisagée car le motif de polarisation est lié à la position du soleil dans le ciel, dont la mesure, pouvant être obtenue grâce à un sextant, permet de se géolocaliser en mer. Le sextant reste aujourd’hui un instrument obligatoire dans certains navires. Dans le cadre de cette thèse, une méthode de géolocalisation, permettant d’obtenir de jour la position du pôle nord céleste donc le nord géographique mais aussi sa latitude sur Terre, a été développée, en s’inspirant de la perception des oiseaux migrateurs calibrant leur compas magnétique de nuit à partir de la rotation céleste des étoiles. En étudiant les variations temporelles du degré de polarisation dans le ciel, nous sommes capables d’obtenir la position du pôle céleste à partir d’images successives du ciel prises par une caméra polarimétrique. Plus précisément, nous cherchons les points dont le degré de polarisation est invariant entre deux instants. Cela fait apparaître deux cercles, appelés cercles d’invariance, et liés aux symétries du motif de polarisation. Le pôle céleste peut être localisé simplement, car il se situe sur une de ces deux invariances, et il est le seul point dans le ciel à avoir un degré de polarisation constant à tout moment de la journée, ce qui signifie qu’il est le seul point du ciel contenu dans une invariance à tout moment. Cette méthode à l’avantage de ne nécessiter que des mesures de la polarisation du ciel, aucune autre information telle que l’heure, la date, ou des éphémérides solaires n’étant requise contrairement aux méthodes préexistantes. Elle a également l’avantage d’être extrêmement simple, nécessitant uniquement des calculs pouvant être plausiblement réalisés par des animaux. Nous montrons aussi comment la déclinaison et l’heure solaire peuvent être extraites du motif de polarisation du ciel. L’heure solaire peut, dans un second temps, permettre d’estimer sa longitude. Nous avons testé notre méthode en simulation et expérimentalement, à l’aide d’une caméra polarimétrique à division de plan focal. Nous proposons ensuite des améliorations de notre méthode, à travers des outils de traitement d’images, tels que des réseaux de neurones, ayant montré de remarquables performances pour le traitement d’images polarisées. En parallèle de cette méthode, un banc de caractérisation permettant de contrôler le degré et l’angle de polarisation d’une source de lumière ultraviolette, basée sur la combinaison de deux faisceaux de lumière polarisées orthogonalement et d’intensité relative variable, a été mise en œuvre. La caractérisation d’un capteur polarimétrique par une source dont le degré de polarisation peut être contrôlé est particulièrement utile pour l’étude des performances de la méthode de navigation développée dans cette thèse.

Satellite navigation systems (GNSS) allow for precise and simple geolocation. However, these devices can see their signals degraded, either voluntarily or not, by blurring of their signals, for example. The fusion of satellite data with data from various navigation devices, such as inertial measurement units or lidars, helps to mitigate these disadvantages. Nevertheless, despite these improvements, current navigation systems still have flaws. Redundancy of information is essential to ensure the reliability of increasingly autonomous navigation systems. This redundancy is also present in migratory animals, using information from the Earth's magnetic field, stars, or the skylight polarization pattern. The latter, still poorly used, allows for celestial navigation, during day, without requiring a direct view of the Sun, making it compatible with urban navigation, for instance. In this thesis manuscript, we propose to study the skylight polarization pattern to develop a geolocation system without GNSS. This possibility was envisaged because the polarization pattern is related to the sun's position in the sky, whose measurement, obtainable using a sextant, allows to geolocate at sea. The sextant is still a mandatory instrument on some ships today. In this thesis, a geolocation method, inspired by the perception of migratory birds calibrating their magnetic compass at night based on the celestial rotation of stars, has been developed to obtain the position of the north celestial pole during the day, thus the geographical north and also its latitude on Earth. By studying the temporal variations of the degree of polarization in the sky, we can obtain the position of the celestial pole from successive images of the sky taken by a polarimetric camera. More precisely, we seek points whose degree of polarization is invariant between two moments. This reveals two great circles, called invariance circles, linked to the symmetries of the polarization pattern. The celestial pole can be located simply because it is always on one of the invariances and is the only point in the sky with a constant degree of polarization at all times of the day, meaning it is the only point in the sky contained in an invariance at all times. This method has the advantage of requiring only measurements of the skylight polarization, with no other information such as time, date, or solar ephemeris needed, unlike existing methods. It also has the advantage of being extremely simple, requiring only calculations that could be performed by animals. We also show how the solar declination and solar time can be extracted from the skylight polarization pattern. Solar time measurements can then be used to estimate longitude. We have tested our method in simulation and experimentally using a division of focal plane polarimetric camera. We then propose various ways to improve our method, through image processing tools, such as neural networks, which have shown remarkable performance for processing polarized images. In parallel to this method, a characterization setup, allowing to control independently the degree and angle of polarization of an ultraviolet light source, and based on the combination of two light beams with orthogonal state of polarization and variable relative intensity, was implemented. Characterizing a polarimetric sensor with a source having a controllable degree of polarization is particularly useful for studying the performances of the navigation method developed in this thesis.