FR2661261A1

FR2661261A1 - Commande d'attitude tridimensionnelle d'un engin spatial utilisant un detecteur d'etoile polaire.

Info

Publication number: FR2661261A1
Application number: FR9104157A
Authority: FR
Inventors: Paluszek Michael Adam
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-04-19
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1991-10-25
Also published as: JPH04228400A; DE4112361A1; FR2661261B1; US5107434A

Abstract

La présente invention concerne un système de commande d'attitude pour un engin spatial (10) adapté à fonctionner en orbite équatoriale. Un détecteur d'étoile polaire (18) a une ligne de visée (16) parallèle à l'axe de tangage de l'engin spatial et produit des signaux d'étoile représentatifs d'une position selon deux axes d'une étoile polaire choisie (22) par rapport à la ligne de visée. Un détecteur de terre (24) produit au moins des signaux de tangage. Une source de signaux produit des signaux représentant l'emplacement orbital et des informations d'éphémérides. Des moyens de traitement (28) couplés au détecteur d'étoile polaire, au détecteur de terre et à la source produisent au moins des signaux représentatifs d'informations de roulis et de lacet. Des moyens d'application de couple (30, 32, 34) répondent aux signaux représentatifs du tangage, du roulis et de lacet, pour appliquer un couple à l'engin spatial et le maintenir à une attitude désirée.

Description

t 2661261

COMMANDE D'ATTITUDE TRIDIMENSIONNELLE D'UN ENGIN SPATIAL

UTILISANT UN DÉTECTEUR D'ÉTOILE POLAIRE

La présente invention concerne la commande d'attitude d'un engin spatial et plus particulièrement la commande d'attitude selon trois axes d'un engin spatial utilisant un détecteur d'étoile polaire en relation avec un détecteur de terre. Les satellites artificiels ou engins spatiaux sont de plus en utilisés dans divers buts Dans certains cas, par exemple pour des communications, un satellite peut devoir diriger un instrument vers des emplacements particuliers de la surface d'un corps céleste autour

duquel il orbite, par exemple la terre.

Pour assurer des communications entre des empla-

cements éloignés à la surface de la terre, ou dans des buts de diffusion, un satellite géosynchrone procure certains avantages Un satellite géosynchrone occupe une

orbite équatoriale et peut être ou bien stabilisé en rota-

tion ou bien stabilisé selon trois axes Pour maintenir une ou plusieurs antennes pointées sur des emplacements particuliers, le satellite stabilisé en rotation doit comprendre une plateforme désolidarisée du mouvement de rotation sur laquelle les antennes ou les détecteurs pointant vers la terre sont montés Les engins spatiaux stabilisés en rotation nécessitent des sollicitations

importantes en moment pour maintenir une visée précise.

Un engin spatial stabilisé selon trois axes utilise un système de moteurs couples pour appliquer des couples à l'engin spatial par rapport à des axes de roulis, de tangage et de lacet pour maintenir son attitude

sous la commande d'un ou plusieurs détecteurs d'attitude.

Le couple pour maintenir l'orientation peut être fourni par des moteurs couples magnétiques, des propulseurs chimiques, des volants d'inertie ou toute combinaison de

ces trois moyens.

L'attitude de l'engin spatial peut être détermi-

née par l'un quelconque de nombreux systèmes Un système de détection d'attitude, utilisé dans les satellites de communication commerciaux, requiert un détecteur d'horizon terrestre et un détecteur de soleil pour la commande

d'attitude Les détecteurs de terre fournissent les infor-

mations de tangage et de roulis alors que le détecteur de soleil fournit des informations à certaines périodes du jour qui permettent de mettre à jour les informations de lacet Le lacet peut être estimé pendant les intervalles durant lesquels une mesure par le détecteur de soleil n'est pas possible Ces détecteurs, ainsi que l'inversion à chaque quart d'orbite des axes de roulis et de lacet

fournissent des informations suffisantes pour une stabili-

sation d'un engin spatial dans des conditions normales.

Toutefois, les détecteurs d'horizon peuvent ne pas fournir d'information précise en raison d'effets atmosphériques obscursissant l'horizon et les informations de mise à jour de lacet peuvent ne pas fournir une commande suffisante pour une visée précise En cas d'exigences de visée moins précises sur les sollicitations angulaires de l'engin spatial, seuls les détecteurs d'horizon sont nécessaires et le couplage gyroscopique du volant d'inertie peut être

utilisé pour maintenir l'attitude en lacet.

Dans un autre système de commande d'attitude, des gyroscopes peuvent être montés dans l'engin spatial

pour fournir des informations de vitesse angulaire.

Puisque les gyroscopes sont soumis à des erreurs dues au

moins au frottement des paliers, ils doivent être périodi-

quement remis à jour Des mises à jour peuvent être fournies par des détecteurs d'horizon terrestre et des détecteurs de soleil mais ceux-ci sont soumis aux erreurs susmentionnées Les gyroscopes peuvent être mis à jour par un système de détecteurs stellaires Un tel système de détecteurs stellaires observe des parties du ciel et fait

concorder la scène observée avec une carte stellaire mémo-

risée Un tel agencement peut assurer une commande précise mais il est extrêmement coûteux car le détecteur stellaire

doit répondre à des étoiles sur une large plage d'ampli-

tude pour effectuer une comparaison significative avec la carte mémorisée L'exigence d'observation d'étoiles sur une plage notable d'amplitudes nécessite elle-même un refroidissement des dispositifs détecteurs d'image pour

détecter les étoiles les plus faibles, et nécessite égale-

ment une linéarité de la réponse ou au moins une réponse qui est bien caractérisée de sorte que les amplitudes relatives des étoiles peuvent être déterminées pour une comparaison Le coût d'un tel système détecteur d'étoiles

est prohibitif pour un satellite de communication commer-

cial Les gyroscopes à longue durée de vie tels qu'ils peuvent être requis pour une application à un satellite de communication commercial devant vivre dix ans sont

extrêmement coûteux Le coût de tels gyroscopes est égale-

ment prohibitif pour des satellites de communication

commerciaux.

Selon la présente invention, un système de commande d'attitude à trois axes pour un engin spatial dans une orbite équatoriale comprend un détecteur d'étoile polaire monté sur l'engin spatial avec une ligne de visée parallèle à l'axe de tangage de l'engin spatial pour pro- duire des signaux d'étoile représentatifs de la position selon deux axes d'une étoile polaire choisie par rapport à l'axe de tangage L'engin spatial comprend également un

détecteur de terre pour produire des signaux qui repré-

sentent au moins le tangage de l'engin spatial par rapport à l'axe de tangage L'engin spatial comprend également une

mémoire chargée d'informations représentant des éphéméri-

des et l'emplacement orbital Les informations mémorisées peuvent être transmises à l'engin spatial pendant son fonctionnement, ou elles peuvent être préprogrammées, ou les deux Un processeur est couplé au détecteur d'étoile

polaire, au détecteur de terre, et à la source d'informa-

tions d'orbite ou d'éphémérides pour traiter les informa-

tions et générer au moins des signaux représentatifs du lacet Le détecteur terrestre, ou le détecteur d'étoile, associé au processeur, ou les deux, produisent des signaux représentatifs du roulis Des moteurs couples répondent aux signaux représentatifs du tangage, du roulis et du

lacet pour appliquer un couple à l'engin spatial et main-

tenir l'attitude souhaitée Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le détecteur terrestre et le détecteur/processeur d'étoile produisent des informations concernant le roulis et un circuit de combinaison combine les deux signaux de roulis en provenance des détecteurs

pour produire un signal de roulis composite.

Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus

en détail dans la description suivante de modes de réali-

sation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles:

la figure 1 est une vue en perspective simpli-

fiée d'un engin spatial dans une orbite équatoriale autour de la terre, illustrant un détecteur d'étoile polaire et un détecteur de terre; les figures 2 A et 2 B, appelées ensemble figure 2, illustrent un type de fonctionnement à balayage du

détecteur de terre de la figure 1 qui fournit les infor-

mations de tangage et de roulis; la figure 3 est un schéma simplifié illustrant le fonctionnement du détecteur d'étoile polaire de la figure 1; la figure 4 représente sous forme de tableau les caractéristiques de certaines étoiles polaires;

la figure 5 est un organigramme simplifié illus-

trant le traitement des informations en provenance du détecteur d'étoile polaire et du détecteur de terre pour déterminer le roulis, le tangage et le lacet; la figure 6 est un schéma simplifié du détecteur d'étoile de la figure 3 illustrant des axes de coordonnées pour les calculs de la figure 5; et la figure 7 est un schéma simplifié sous forme de blocs d'un agencement pour combiner les signaux de

roulis en provenance de diverses sources.

La figure 1 est une vue en perspective simpli-

fiée d'un satellite 10 en orbite équatoriale autour de la terre 12 Le satellite 10 est représenté dans son attitude souhaitée, l'axe de tangage ou axe z étant perpendiculaire au plan orbital, et le mouvement étant dans la direction de l'axe de roulis ou axe y L'axe de lacet ou axe x est

dirigé vers le centre de la terre.

Comme cela est représenté en figure 1, l'axe de rotation 14 de la terre est sensiblement parallèle à la ligne de visée, illustrée par une ligne en pointillés 16,

d'un détecteur d'étoile 18 monté sur l'engin spatial 10.

L'axe 14 et la ligne de visée 16 pointent vers un empla-

cement éloigné de l'espace, désigné par la référence 20, qui est proche, mais non de façon précise, d'une étoile polaire choisie désignée par 22 Comme cela sera décrit ci-après, l'étoile polaire peut être une étoile polaire nord ou sud, mais est de préférence choisie comme étant î

Ursa Minoris (la Polaire), N O SAO 308 Un ensemble détec-

teur de terre (ESA), désigné par la référence 24 est monté sur l'engin spatial, sa ligne de visée, illustrée par une ligne en pointillés 26, étant dirigée vers la terre Un circuit ou agencement de commande, désigné par un bloc 28 est associé à l'engin spatial et est couplé (par des moyens non représentés en figure 1) au détecteur d'étoile 18 et à l'ensemble détecteurs de terre 24 pour déterminer l'orientation de l'engin spatial Des enroulements d'application de couple, mutuellement orthogonaux désignés par 30, 32 et 34 sont couplés au bloc de commande 28 par des moyens (non représentés) destinés à être alimentés pour appliquer un couple à l'engin spatial et corriger son attitude Une antenne 40 est montée sur l'engin spatial et

dirigée vers la terre pour communiquer avec elle L'anten-

ne 40 peut être couplée au bloc de commande 28 pour rece-

voir des instructions de commande à partir d'une station terrestre et pour envoyer vers la station terrestre des informations relatives à l'état de l'engin spatial Un panneau solaire rotatif 36 est monté sur l'engin spatial dans une position telle que sa rotation ne bloque pas la

ligne de visée 16 du détecteur d'étoile 18.

L'ensemble détecteur de terre 24 de la figure 1

est du type à balayage et balaye simultanément ou séquen-

tiellement une paire de trajets en travers de la terre.

Les signaux sont produits à chaque passage de l'horizon terrestre Les longueurs ou les durées de chaque balayage

sont déterminées par la durée entre passages par l'hori-

zon La figure 2 a représente la terre 12 et des premier et

second trajets de balayage 50 et 52 Comme cela est repré-

senté, les trajets de balayage 50 et 52 sont centrés au

dessus et en dessous d'une ligne équatoriale 54 En consé-

quence, les trajets de balayage 50 et 52 sont parcourus en

la même durée, Ll et L 2, respectivement La figure 2 b il-

lustre un état dans lequel l'engin spatial a roulé autour de l'axe y de la figure 1 de sorte que les balayages 50 et

52 ne sont pas équidistants de la ligne équatoriale 54.

Comme cela est représenté, la ligne de balayage 50 est parcourue en un temps Ll qui est beaucoup plus court que le temps L 2 requis pour le parcours du balayage 52 La différence entre les durées Ll et L 2 est indicative du roulis. L'ensemble détecteur de terre 24 peut également

fournir une indication du tangage Comme cela a été men-

tionné, quand l'engin spatial est convenablement orienté par rapport à l'axe de roulis, comme cela est représenté en figure 2 a, la durée Ll d'achèvement du balayage 50 est égale à la durée L 2 nécessaire à l'achèvement du balayage

52 Le gyroscope de balayage (non représenté) de l'ensem-

ble détecteur de terre peut être étalonné de sorte qu'une position particulière du gyroscope de balayage correspond à la ligne de visée 26 de la figure 1 Une variation par rapport à la position de la ligne de visée du gyroscope d'analyse de l'ensemble détecteur de terre 24 à l'instant o les balayages 50 et 52 de la figure 2 a sont à leur position médiane indique une erreur de tangage Ainsi, l'ensemble détecteur de terre 24 peut être utilisé pour

fournir une indication des erreurs de roulis et de tan-

gage De tels détecteurs sont décrits en pages 166-180 du texte "Spacecraft Attitude Determination and Control" édité par James R Wertz, publié par D Reidel Publishing

Co., première édition, 1985.

La figure 3 est un schéma simplifié du détecteur d'étoile 18 de la figure 1 En figure 3, le détecteur d'étoile 18 comprend un ensemble optique 310 et un réseau de détecteurs 312 se trouvant dans son plan focal, tous les deux étant centrés sur la ligne de visée 16 Comme cela est représenté en figure 3, l'étoile polaire 22 n'est pas centrée sur la ligne de visée 16 En conséquence, une ligne 314 allant de l'étoile polaire 22 au réseau de détecteurs 312 amène une image de l'étoile, désignée par 316, à être projetée sur le réseau de détecteurs Pendant l'orbite du satellite autour de la terre, la position apparente de l'étoile 22 par rapport à la ligne de visée 16 change, de sorte que l'image 316 parcourt un trajet circulaire, désigné par la ligne en pointillés 318, autour

de l'axe de visée 16.

Comme cela sera décrit ci-après, une connais-

sance de la position orbitale de l'engin spatial à tout

moment et des informations d'éphémérides, permet de cal-

culer la position attendue de l'image 316 sur le réseau de détecteurs 312 de la figure 3 Toute variation de l'image 316 de l'étoile par rapport à la position calculée est indicative d'erreurs dans les directions x et y illustrées en figure 3, ces erreurs représentant le roulis et le lacet En particulier, les erreurs de lacet amèneront la position réelle de l'image 316 de l'étoile à dévier dans la direction y par rapport à la position calculée de l'image, alors que les erreurs de roulis amènent l'image à dévier dans la direction x Une combinaison des erreurs de roulis et de lacet se présentera habituellement, de sorte que l'on s'attend à une combinaison de déplacements x et y- Le champ de visée (FOV) du détecteur d'étoile 18 peut être étroit puisqu'il doit seulement suivre les étoiles avec une déclinaison supérieure à environ 88 Le champ de visée devra être au moins de 16,50 x 16,50 pour suivre la Polaire dans le cas d'engins spatiaux présentant des inclinaisons allant jusqu'à 5 Le détecteur d'étoile doit fournir une précision adéquate et doit comprendre l'agencement le plus simple, incluant le plus petit nombre de pixels dans le réseau, pour atteindre la précision désirée Sa sensibilité doit être suffisante pour la Polaire mais pas pour d'autres étoiles polaires Ces buts sont atteints par un détecteur du type CCD (dispositif à couplage de charge) ou CID (dispositif à injection de

charges) sans refroidissement Des réseaux de tels détec-

teurs sont bien connus Comme cela est représenté en figure 3, le réseau 312 est un réseau rectangulaire Nx M. Une dimension de réseau commode est N= 512, M= 512 avec un FOV de 6,5 x 6,50 pour une orbite géosynchrone Un préamplificateur, désigné pour le bloc 322, est représenté en figure 3 comme couplé au réseau de détecteurs pour recevoir des signaux d'ordre analogique de celui-ci à un

rythme d'horloge, de façon connue Un convertisseur ana-

logique/numérique (CAN) 334 convertit les signaux analo-

giques en valeurs numériques correspondantes qui peuvent

être produites sous forme parallèle ou sous forme série.

On peut s'attendre à ce que le réseau soit suffisamment sensible pour que des signaux discernables soient produits par des étoiles autres que la Polaire Pour limiter la réponse, un détecteur de seuil numérique 336 limite les signaux de sortie sur le trajet de données de sortie 338 à

ceux qui dépassent une amplitude prédéterminée L'ampli-

tude prédéterminée est établie par une magnitude expéri-

mentale d'environ 2,5, de sorte que la Polaire dépasse de beaucoup ce seuil, et que d'autres étoiles polaires sont bien en-dessous Par suite, seuls des pixels répondant à un niveau de magnitude supérieur à 2,5 produiront une

sortie Ceci réduit la susceptibilité à la lumière para-

site, réduit la sensibilité à un endommagement par des

radiations, et rend peu probable des visées sur de mau-

vaises étoiles Le bloc de seuil 336 comprend aussi une sortie d'interruption sur un trajet de données 339 pour indiquer au calculateur de vol (non représenté) qu'une

mesure est prête.

Le champ de visée du détecteur est déterminé par l'inclinaison d'orbite autorisée, la déclinaison de

l'étoile et l'erreur d'attitude La Polaire a une décli-

naison supérieure à 890 En conséquence, un champ de visée de 16,50 x 16, 50 sera suffisant pour suivre la Polaire pour un engin spatial à des orbites présentant des inclinaisons allant jusqu'à 50 ( 50 pour l'inclinaison + 10 pour la

Polaire + 2,250 pour des erreurs d'attitude) Une incli-

naison de 7 nécessiterait un FOV de 20,50 x 20,5 '.

De façon idéale, le détecteur doit pouvoir être adressé pour balayer sur moins que le réseau complet Nx M (sous-balayage), par exemple par un sousbalayage d'une

région de Px Q pixels autour d'un pixel spécifié représen-

tant le centre nominal de la région de sous-balayage Dans le cas de sousbalayages à 3 x 3 ou 5 x 5 pixels, le centre nominal correspond à l'adresse d'un pixel réel Dans le cas de 4 x 4 ou autres nombres pairs, le centre est un point

virtuel nécessitant un adressage quelque peu plus comple-

xe D'autre part, certains types de traitement peuvent être réalisés plus facilement avec des nombres pairs qu'avec des nombres impairs, et un sousbalayage 16 x 16 sera plus souhaitable qu'un sous-balayage 17 x 17 même si l'adressage peut être plus complexe Le centre nominal des sous- balayages est établi par le calculateur de vol, sur la base de la position d'orbite, de l'attitude désirée, de la géométrie du système et des informations d'éphémérides

pour placer l'image de la Polaire près du centre du sous-

balayage. Si un balayage de réseau complet est utilisé sans sous-balayage, l'emplacement de la Polaire dans le plan focal peut être déterminé simplement en recherchant le pixel fournissant la plus grande amplitude, et en définissant ce pixel comme celui sur lequel l'image de la Polaire est formée Pour ce type de fonctionnement, le système optique 310 de la figure 3 est prévu pour une mise il au point sur une surface équivalente à un pixel du réseau La résolution de cette technique est d'un pixel et, pour un réseau 512 x 512 et une situation en inclinaison de 50, la résolution R est donnée par

R = 16,50/512 = 0,03 ( 1)

ce qui est généralement suffisant pour des satellites de

communication géosynchrones.

Si une précision de visée plus importante est

souhaitée, les systèmes optiques sont prévus pour défoca-

liser l'image de la Polaire de sorte qu'elle couvre plu-

sieurs pixels et le réseau est sous-balayé sur la partie éclairée Un calcul du lieu géométrique de centre est alors réalisé Le calcul d'un centre d'intensité selon une ligne de balayage est bien connu et est décrit par exemple dans la demande de brevet américain délivrée N O 07/372 580 déposée le 28 juin 1989 au nom de Chmielewski Jr et al. La résolution R dans le procédé de calcul de centre à défocalisation est: R = Fei/N ( 2) o ei est environ 0,01 et FOV est l'étendue en degrés du champ de visée Pour un FOV de 16,50 x 16,50, une résolution de 0,001 peut être atteinte avec un réseau de 165 x 165 pixels Ce processus fournit une plus grande résolution avec un plus petit réseau que le procédé sans calcul de

lieu géométrique de centre décrit ci-dessus, mais néces-

site un traitement de signal plus complexe.

Pour augmenter encore la résolution, le calcul du lieu géométrique du centre peut être fait sur le réseau complet Pour un réseau 512 x 512, la résolution pour une

situation en inclinaison de 5 peut aller jusqu'à 0,00030.

La figure 5 est un organigramme simplifié qui décrit le traitement de signal réalisé dans le bloc 28 de la figure 1 pour déterminer le lacet de l'engin spatial à partir des mesures effectuées par l'appareil décrit en

relation avec la figure 2 En figure 5, le bloc 510 repré-

sente le début d'une séquence de détermination de lacet et le bloc 512 représente la lecture du temps en cours (ou, si le calcul est retardé, de l'instant auquel la mesure

d'étoile a été faite) Le bloc 514 représente la conver-

sion du temps en cours par rapport à la référence de midi du 1 janvier 2000 (J 2000) Le temps converti est le temps

dynamique barycentrique (TDB) qui est utilisé comme échel-

le temporelle des éphémérides rapportées au barycentre du système solaire Le bloc 516 représente la lecture à partir de données sous forme de tableaux mémorisés dans une mémoire (c'est-à-dire l'Almanach Astronomique) de la position barycentrique de la terre en unités astronomiques (ua) et la vitesse pour l'instant de coordonnées t=TDB Le bloc 518 représente la lecture à partir de la mémoire de l'ascension (xo) et de la déclinaison (& 0) exactes de l'étoile polaire à J 2000 Le bloc 520 représente le calcul de la direction barycentrique ( q) de l'étoile polaire à l'époque J 2000 cos O O co S O q = sino O cos& O ( 3) sin 50 o o xo et 60 sont l'ascension et la déclinaison exactes dans le cadre de J 2000 0 pour l'équateur et l'équinoxe

pour l'époque J 2000 0.

Le bloc 522 représente le calcul du vecteur mou-

vement spatial m -pxcoso sin O O-pssin O o cosoo -vrcoso cos"o m = pxcos 680 cos O -plisin 80 sin O O+vnrcos 50 osino O ( 4) p&cos S +vnsin& o Tf est le parallaxe, (pa, PS) sont les vitesses de mouvement propre, et v est la vitesse radiale mesurée de

façon positive en s'écartant de la terre.

Le bloc 524 représente le calcul du vecteur géo-

centrique P de l'étoile polaire au moment de la mesure P = q +T m EB ( 5) o T, l'intervalle en siècles du calendrier Julien par rapport à J 2000 0, est donné par

T = (JD 245 1545 0)/36525 ( 6)

o JD est la date en jours dans le calendrier Julien et 245 1545 est la date dans le calendrier Julien pour l'année 2000, et 36525 est le nombre de jours dans un

siècle Julien.

JD peut être calculé simplement à partir de TDB comme cela a été décrit, par exemple, dans l'Almanach Astronomique de 1989 imprimé par le U S Government

Printing Office.

Le bloc 526 représente la détermination de la position héliocentrique E de la terre

E = EB SB ( 7)

O SB est la position barycentrique du soleil à l'ins-

tant t = TDB.

Le bloc 528 représente la formation de vecteurs unitaires P = P i P ( 8) et e = E /|E | ( 9) Une correction pour la éf lexion lumineuse est réalisée dans le bloc 530 pour former le vecteur corrigé Pl

2

( e (p-e)p c 2 E Pl = P + ( 10) 1 + p-e o p/c 2 est 9,87 x 10-9 ua et E = J E Les effets relativistes sont compensés dans le bloc 532 -1 1 + Pl-V P1 +l 1 l V 1 + p-1

P 2 = ( 11)

1 +pl-V o V est le vecteur vitesse barycentrique de la terre

(d EB /dt) à l'instant t divisé par la vitesse de la lu-

mière dans le vide ( 3 x 108 m/s), et

1 = ( 12)

J 1 V 2

La précession et la nutation sont corrigées dans le bloc 534 pour trouver l'emplacement apparent de

l'étoile polaire dans le plan focal à l'instant t=TBD.

usc I = M P 2 ( 13)

o M est la matrice de transformation 3 x 3 qui fait pas-

ser du repère de de J 2000 O au repère de l'équateur et de

l'équinoxe de l'instant de la mesure Ceci donne le vec-

teur unité dans le repère de date Terre-Centré-Inertiel

(ECI).

Le vecteur unitaire U est transformé en le vec-

teur unitaire de repère périfocal up dans le bloc 536 U Pr = MECI -v-PF U úc I ( 14) Dans le bloc 538, le vecteur unitaire u est transformé dans le repère nominal de l'engin spatial (visant la terre) u 1 = M PF-i-EP U P ( 15) Si la Polaire était au pôle et que les erreurs d'attitude étaient nulles, la Polaire apparaîtrait le long de la ligne de visée du détecteur Puisque la Polaire n'est pas au pôle et que des erreurs d'attitude peuvent survenir, la plus grande composante de u EP s'étend selon la ligne de visée, et il existe seulement de faibles composantes dans le plan focal Tandis que l'engin spatial se déplace selon son orbite, l'étoile trace un trajet circulaire dans

le plan focal, comme cela est représenté en figure 3.

Des erreurs de tangage de l'engin spatial provo-

queront des erreurs apparentes de position de l'image de

la Polaire au plan focal, comme cela a été décrit ci-

dessus Celles-ci sont corrigées dans le bloc 540 de la figure 5 en utilisant les signaux de tangage de l'ensemble détecteur de Terre (ESA) u Pc = M EP-I-PC U EP ( 16) La figure 6 représente certaines relations géométriques associées au détecteur d'étoile de la figure 3 Les éléments de la figure 6 correspondant à ceux de la

figure 3 sont désignés par les mêmes références numéri-

ques En figure 6, les coordonnées auxiliaires u, v et X, y sont associées au réseau 312 d'éléments détecteurs La coordonnée auxiliaire u est parallèle à la coordonnée x et

v est parallèle à la coordonnée y, mais elles sont mutuel-

lement déplacées selon la ligne de visée 16 d'une distance f, la distance focale de l'objectif 310 Le vecteur d'étoile 314 coupe le plan focal (plan du réseau) en un point 610 L'angle < est l'angle entre la ligne de visée 16 et la projection 612 du vecteur d'étoile 314 sur le plan y-z L'angle X est l'angle entre le vecteur d'étoile

314 et le plan y-z.

Le vecteur du détecteur d'étoile est calculé

dans le bloc 542 de la figure 5 en utilisant la représen-

tation de la figure 6: siny cos X û = cosy cos X ( 17) sins\ o tan < = u/f ( 18) tan X = v/f cos < ( 19) et u et v sont les coordonnées du centre géométrique de l'image de l'étoile dans le plan focal Le vecteur unité mesuré et le vecteur unité calculé sont associés par la matrice d'attitude û Pc = A (roulis,lacet) u Pc ( 20) L'équation ( 20) peut être résolue pour un roulis et un lacet d'attitude de plusieurs manières dont l'une

quelconque peut être utilisée dans le bloc 544 de la figu-

re 5 Une façon commode consiste à utiliser l'attitude en roulis mesurée à partir de l'ensemble détecteur de Terre décrit en relation avec les figures 1 et 2, en association avec les neuf équations séparées inhérentes à l'équation

( 20) pour résoudre le lacet Par exemple, pour des appli-

cations à faible précision û 1 Oy U. Y= O 1 ez u Y ( 21) Les solutions pour le roulis (et) et le lacet (G.) sont données par Gy = (û u)/u 2 ( 22) ox = (ûy u 7)/u 2 ( 23)

La figure 4 fournit un tableau des caractéris-

tiques de diverses étoiles polaires La désignation SAO désigne l'Observatoire Astronomique Smithsonien Les étoiles polaires nord dans le tableau portent des numéros

allant de 308 à 3916 et les étoiles polaires sud des numé-

ros allant de 258970 à 258660 Comme cela est représenté en figure 4, laSAO numéro 308 (la Polaire) présente une magnitude instrumentale de 1,68 et est en conséquence plus brillante que la magnitude expérimentale 3,0 Ainsi, un détecteur d'étoiles polaires pointé dans une direction polaire et qui, comme décrit ci-dessus, ne peut détecter

que des étoiles plus brillantes qu'une magnitude instru-

mentale 3,0 détectera seulement SAO 308 Ceci simplifie

beaucoup le processus d'identification d'étoile et entrai-

ne une réduction des coûts Des étoiles polaires autres que SAO 308 pourraient être utilisées, par exemple SAO 3020 ou 258857 Alors qu'un refroidissement du système de formation d'images n'est pas nécessaire pour utiliser SAO 3020, une discrimination de luminosité entre SAO 308 et SAO 3020 et des étoiles moins brillantes sera nécessaire, ce qui rend la discrimination plus complexe que quand on détecte seulement SAO 308 Quant au choix entre des étoiles polaires nord et sud, SAO 258857 et SAO 258660 ont des amplitudes et des déclinaisons similaires qui peuvent induire en confusion le détecteur Ainsi, le choix optimal de l'étoile polaire est SAO 308 bien que d'autres étoiles

puissent être utilisées.

Les informations de lacet calculées dans le bloc 544 de la figure 5 et les informations de tangage et de roulis sont disponibles pour le bloc de commande 28 de la figure 1, qui traite les informations selon une commande d'attitude classique pour actionner les moteurs-couples

pour maintenir l'attitude selon les trois axes.

Comme cela a été mentionné ci-dessus en relation avec la figure 3, des erreurs de roulis amèneront l'image de l'étoile polaire à dévier dans la direction x Quand le procédé de la figure 5 a été utilisé pour déterminer le lacet, le tangage étant connu à partir de ESA 24, le déplacement en x de l'image de l'étoile par rapport à l'emplacement calculé est représentatif du roulis Ainsi, un signal représentatif du roulis est disponible par des

calculs simples basés sur des signaux provenant du détec-

teur d'étoile 18 Ces signaux de roulis peuvent être uti-

lisés ou bien seuls ou bien en relation avec des signaux de roulis en provenance d'un ESA La figure 7 illustre

sous forme d'un schéma bloc simplifié un circuit de combi-

naison de signaux de roulis En figure 7, des signaux de

roulis en provenance de ESA 24 de la figure 1 sont appli-

qués par un accès de données 710 aux accès d'entrée non inverseurs de sous-systèmes de sommation 714 et 716 Le signal de roulis provenant du détecteur d'étoile 18 est appliqué à l'accès d'entrée inverseur du soussystème de sommation 714 La sortie de différence, incluant une forte composante de bruit, est couplée, à partir du sous-système de sommation 714, par un filtre 718, à l'accès d'entrée inverseur du sous-système de sommation 716 Le signal de roulis combiné apparaît à la sortie du soussystème de sommation 716 Le signal de roulis combiné peut présenter moins de bruit que celui de l'un ou l'autre détecteur seul Si les caractéristiques de bruit des détecteurs sont identiques, le filtre 718 est un simple filtre de moyenne, ayant un gain constant égal à 0,5 en fonction de la fréquence Si le bruit du signal de roulis ESA devait être prédominant à basse fréquence et le bruit du signal de détecteur d'étoile principalement à haute fréquence, le

filtre 718 serait un filtre passe-bas Pour des caracté-

ristiques de bruit plus complexes, une mise en oeuvre du filtre 718 sous forme d'un filtre de Kalman pourrait être

plus appropriée.

D'autres modes de réalisation ou variantes de l'invention apparaîtront à l'homme de l'art Par exemple, alors que des moteurs-couples magnétiques ont été décrits, des propulseurs ou des volants d'inertie pourraient être utilisés pour conférer des couples à l'engin spatial Le taux de lacet peut être obtenu en différenciant la sortie du détecteur et en l'utilisant pour fournir un angle de lacet, sans qu'on ait besoin d'éphémérides spatiaux La composante de taux de lacet orbital, estimée en utilisant la sortie de roulis du détecteur terrestre et le taux de

roulis obtenu à partir du détecteur d'étoile polaire, peu-

vent être utilisés pour corriger le taux obtenu L'angle de lacet fourni peut être mis à jour périodiquement en utilisant un autre détecteur de lacet, par exemple un détecteur de soleil Les taux de lacet et de roulis obtenus à partir du détecteur d'étoile polaire peuvent également être utilisés pour commander la stabilisation de

boucle quand une visée précise en présence de grandes per-

turbations est requise, par exemple pendant des manoeuvres de maintien en position par des propulseurs A titre de variante, pour des applications à des pointages précis, le lacet et le roulis peuvent être fournis en utilisant des

gyroscopes d'intégration de taux et mis à jour périodi-

quement en utilisant les mesures de lacet et de roulis du

détecteur d'étoile polaire Ces mesures peuvent être uti-

lisées pour estimer les variations gyroscopiques.

Claims

REVENDICATIONS

1 Système de commande d'attitude à trois axes pour un engin spatial ( 10) adapté à fonctionner en orbite équatoriale, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de détection d'étoile polaire ( 18) montés sur l'engin spatial, avec une ligne de visée ( 16)

parallèle à l'axe de tangage de l'engin spatial et adap-

tés, en fonctionnement, à produire des signaux d'étoile représentatifs d'une position selon deux axes d'une étoile polaire choisie ( 22) par rapport à l'axe de tangage; des moyens de détection de terre ( 24) montés sur l'engin spatial et adaptés, en fonctionnement, à produire au moins des signaux de tangage représentatifs du tangage de l'engin spatial autour de l'axe de tangage;

une source de signaux adaptée, en fonctionne-

ment, à produire des signaux représentant l'emplacement orbital et des informations d'éphémérides; des moyens de traitement ( 28) couplés aux moyens de détection d'étoile polaire, aux moyens de détection de terre, et à ladite source, et adaptés, en fonctionnement, à traiter lesdites informations selon deux axes et les signaux de tangage et à produire au moins des signaux représentatifs d'informations de roulis et de lacet; et des moyens d'application de couple ( 30, 32, 34) couplés au moins aux moyens de traitement ( 28) et adaptés, en fonctionnement, à répondre aux signaux représentatifs du tangage, du roulis et du lacet, pour appliquer un couple à l'engin spatial et le maintenir à une attitude désirée. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection de terre comprennent en outre: des moyens pour produire des seconds signaux ( 710) représentatifs du roulis de l'engin spatial; et des moyens de combinaison ( 714-718) couplés au moins aux moyens de détection de terre pour combiner les signaux représentatifs du roulis en provenance des moyens

de détection de terre avec des signaux ( 712) représenta-

tifs du roulis provenant des moyens de détection d'étoile polaire. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de combinaison comprennent: un premier moyen de sommation ( 714) comprenant des accès d'entrée inverseur et non inverseur et aussi au moins un accès de sortie, l'accès d'entrée inverseur du premier moyen de sommation étant couplé pour recevoir les signaux de roulis ( 712) provenant des moyens de détection d'étoile, et l'accès d'entrée non inverseur du premier moyen de sommation étant couplé aux moyens de détection de terre pour en recevoir des signaux de roulis ( 710), pour produire au niveau de l'accès de sortie un signal de bruit qui inclut des composantes de bruit; un second moyen de sommation ( 716) ayant un accès d'entrée inverseur et également un accès d'entrée non inverseur couplés aux moyens de détection de terre pour en recevoir le signal de roulis; des moyens de filtrage ( 718) couplés à l'accès de sortie du premier moyen de sommation ( 714) et à l'accès d'entrée inverseur du second moyen de sommation ( 716) pour filtrer le signal de bruit pour produire un signal de bruit filtré et pour coupler le signal de bruit filtré au second moyen de sommation, d'o il résulte que le signal de bruit filtré est soustrait dans le second moyen de

sommation pour produire un signal de roulis combiné.

4 Engin spatial adapté à être stabilisé autour au moins d'un axe de tangage ( 16, Z), caractérisé en ce qu'il comprend:

un réseau plan bidimensionnel ( 312) de détec-

teurs de lumière; des moyens optiques ( 310) adaptés à focaliser l'image d'un objet se trouvant à une grande distance sur un plan focal; des moyens de montage couplés audit réseau et aux moyens optiques pour disposer le réseau au plan focal,

l'un central des détecteurs de lumière du réseau se trou-

vant sur une ligne de visée ( 16), cette ligne de visée étant parallèle à l'axe de tangage ( 3); et des moyens de traitement ( 322, 334, 336) couplés au réseau et adaptés à produire des signaux représentatifs de la variation d'une seule étoile polaire par rapport

audit détecteur central parmi les détecteurs de lumière.

5 Engin spatial selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de traitement produisent lesdits signaux sous forme de premier et second signaux, respectivement, qui représentent des composantes de ladite variation dans des directions parallèles aux axes de

roulis et de lacet, respectivement, de l'engin spatial.

6 Engin spatial selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de

seuil ( 336) couplés audit réseau pour limiter la sensi-

bilité. 7 Engin spatial selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de seuil produisent une limitation à une amplitude correspondant à une intensité

instrumentale voisine de 2,5.

8 Procédé de commande de l'attitude d'un engin spatial ( 10) dans une orbite équatoriale autour de la terre ( 12), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: mesurer au moins le tangage de l'engin spatial en utilisant un montage de détection de terre ( 24) pour produire des signaux de tangage représentatifs du tangage

de l'engin spatial autour d'un axe de tangage (z) perpen-

diculaire au plan orbital; détecter la position ( 316) de l'image d'une étoile polaire choisie ( 22) projetée sur un réseau détecteur de lumière ( 312) se trouvant dans un plan qui, de façon idéale, est orthogonal à l'axe de tangage, la détection de la position pouvant être résolue en composantes parallèles aux axes de roulis et de lacet de l'engin spatial pour produire des signaux de localisation d'étoile;

produire des signaux représentatifs d'informa-

tions de situation orbitale et d'éphémérides; et traiter les signaux de tangage, les signaux de

position d'étoile et les signaux représentatifs des infor-

mations de localisation orbitale et d'éphémérides pour produire des signaux de lacet représentatifs du lacet de

l'engin spatial par rapport à l'axe de lacet.

9 Procédé selon la revendication 8 comprenant en outre les étapes consistant à: traiter au moins les signaux de lacet et les signaux de tangage pour produire des signaux de commande de couple; et actionner des moyens d'application de couple ( 30, 32, 34) pour maintenir

l'attitude de l'engin spatial selon les trois axes.

Procédé selon la revendication 8, carac-

térisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à

traiter les signaux de tangage, les signaux de localisa-

tion d'étoile et les signaux représentatifs des informa-

tions de position orbitale et d'éphémérides pour produire des signaux représentatifs du roulis de l'engin spatial

par rapport à l'axe de roulis.

11 Procédé selon la revendication 10, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes: traiter les signaux de tangage, roulis et lacet pour produire des signaux de commande de couple; et agir sur des moyens d'application de couple sous la commande desdits signaux de commande de couple pour

maintenir l'attitude de l'engin spatial selon trois axes.