GeoPol skylight polarization based geolocation in GPS denied environment

GéoPol géolocalisation sans GPS grâce à la lumière polarisée du ciel en bande spectrale UV et visible 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 caméra polarimétriqueorthogonalement 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