Boussole du cours
AM-08.06 — Navigation optique : se repérer avec des images, des planètes et le terrain. Le cours part d’une scène concrète, définit chaque mot et symbole, puis seulement les équations et les décisions de mission.
1 — Partir d’une scène concrète
Sur Mars, il n’existe pas aujourd’hui de constellation GPS donnant en permanence la position d’un rover. Pourtant une caméra peut reconnaître le monde qui l’entoure. Si le logiciel mesure comment les rochers se déplacent dans l’image pendant que le rover roule, ou compare une vue panoramique à une carte orbitale, l’image devient une mesure de navigation.
La navigation optique peut servir en croisière interplanétaire, à proximité d’un astre, pendant un atterrissage ou sur le sol. Le principe commun est de transformer des pixels en géométrie : angles, directions, mouvements relatifs ou correspondances de terrain.
2 — Vocabulaire indispensable avant de continuer
Aucun de ces mots ne doit rester mystérieux. Une définition courte vaut mieux qu’un mot savant laissé sans explication.
- Navigation optique
- Estimation de position, vitesse ou attitude à partir d’images et de cibles visuelles.
- Pixel
- Plus petit élément d’une image numérique. Sa position dans l’image correspond à une direction via l’étalonnage de la caméra.
- Visual odometry
- Estimation du mouvement en suivant des caractéristiques visuelles entre plusieurs images.
- Carte orbitale
- Image ou modèle construit depuis un orbiteur et utilisé comme référence globale.
- Orthomosaïque
- Assemblage d’images corrigées géométriquement afin de représenter le terrain comme vu du dessus.
- Recalage
- Opération qui aligne une observation avec une référence connue.
3 — Voir le système avant de calculer
D’un pixel à une direction
Une caméra est étalonnée : sa focale, son centre optique et ses distorsions sont connus. La position d’un objet dans l’image peut alors être transformée en ligne de visée depuis le capteur.
Suivre le terrain
En comparant plusieurs images successives, le logiciel suit des points caractéristiques. Leur déplacement apparent, combiné au modèle de caméra, permet d’estimer le mouvement du véhicule. Les erreurs s’accumulent toutefois progressivement.
Revenir à une carte absolue
Une méthode de localisation globale compare une vue locale à une carte de référence plus vaste. En février 2026, JPL a annoncé l’utilisation par Perseverance de Mars Global Localization, qui associe des panoramas Navcam à l’imagerie orbitale afin de recaler sa position sans intervention humaine.
4 — Les formules, seulement maintenant
Une formule est une phrase condensée. On la déplie avant de l’utiliser.
Comment cela se lit : « angle est approximativement égal à arc tangente de x divisé par f ». x est ici le décalage sur le capteur et f la distance focale, dans un modèle simple.
La géométrie d’une caméra transforme une distance mesurée dans le plan image en direction angulaire. Les systèmes réels corrigent les distorsions et utilisent deux dimensions.
Comment cela se lit : « distance est approximativement égale à la base divisée par la tangente de l’angle », dans une géométrie de triangulation simplifiée.
Avec une base connue entre deux observations ou deux caméras, un angle peut fournir une information de profondeur. La géométrie exacte dépend du montage.
5 — Ce que les unités racontent
Les images se décrivent en pixels, mais la navigation finit par produire des angles en radians/degrés et des distances en mètres/kilomètres. Le passage pixel → angle dépend de l’étalonnage. Une précision d’un pixel n’a donc pas de signification universelle sans connaître le champ de vision et la résolution.
6 — Trois démonstrations concrètes
Exemple 1 — Déplacement apparent
Un rocher passe de la colonne 600 à la colonne 640 entre deux images.
déplacement image = 640 − 600
déplacement image = 40 pixels
Exemple 2 — Triangulation pédagogique
Deux positions d’observation sont séparées par une base de 10 m et un angle géométrique simplifié vaut 5°.
tan(5°) ≈ 0.0875
distance ≈ 10 ÷ 0.0875
distance ≈ 114 m
Exemple 3 — Dérive puis recalage
Un rover estime sa position par visual odometry et accumule 25 m d’incertitude. Une correspondance fiable avec une carte orbitale fournit une nouvelle référence globale.
avant : estimation locale + dérive
correspondance terrain ↔ carte
après : position globale recalée
7 — Approfondissement : ce que le résumé cache
Visual odometry et glissement des roues
Sur un rover, compter la rotation des roues ne suffit pas : elles peuvent glisser. La vision observe directement le déplacement apparent du terrain et aide à corriger cette ambiguïté.
Terrain pauvre en détails
Une plaine uniforme, la poussière, les ombres ou des changements d’éclairage rendent les correspondances plus difficiles. La navigation doit alors augmenter l’incertitude ou s’appuyer davantage sur d’autres capteurs.
Navigation à l’atterrissage
Des algorithmes peuvent comparer le terrain observé pendant la descente à une carte afin d’estimer la position relative à des zones dangereuses. Cette logique appartient à la même famille que la localisation au sol, avec des contraintes de vitesse et de sécurité beaucoup plus sévères.
Autonomie et calcul embarqué
Plus une mission veut se localiser sans attendre la Terre, plus elle doit embarquer cartes, modèles de caméra, puissance de calcul et logiciels capables de rejeter de mauvaises correspondances.
8 — Pourquoi cette notion compte pour Mars
La surface martienne impose de longues distances, des obstacles et un délai radio qui interdit une conduite permanente depuis la Terre. La navigation visuelle permet au véhicule de comprendre localement son environnement.
L’annonce JPL de 2026 sur Mars Global Localization illustre une évolution importante : comparer automatiquement la vue d’un rover à l’imagerie orbitale afin de réduire la dépendance au recalage humain.
9 — Pièges fréquents et mauvaises intuitions
- Croire qu’une photo contient directement la distance de chaque objet.
- Confondre visual odometry, qui dérive, avec une localisation globale absolue.
- Oublier la calibration optique et la distorsion.
- Accepter une correspondance de terrain sans tester sa plausibilité.
- Supposer que la lumière, la poussière et les ombres n’affectent pas la vision.
10 — Exercices guidés et réponses
Question : Un point se déplace de 25 pixels à droite. Que savez-vous avec certitude ?
Question : Pourquoi la visual odometry dérive-t-elle ?
Question : Pourquoi une carte orbitale peut-elle servir de « recalage absolu » ?
11 — Ce que je dois savoir expliquer à la fin
- Définir navigation optique, pixel, visual odometry et recalage.
- Expliquer comment une caméra produit une ligne de visée après calibration.
- Distinguer déplacement dans l’image et mouvement réel.
- Expliquer pourquoi la visual odometry dérive.
- Décrire le principe de Mars Global Localization sans le confondre avec un GPS martien.
12 — Sources NASA / JPL pour aller plus loin
Sources institutionnelles primaires utilisées pour contrôler les concepts et les ordres de grandeur.