FR2751792A1 - Dispositif de commande d'un appareil autour de trois axes et systeme de poursuite de satellite comportant un tel dispositif - Google Patents

Abstract

Ce dispositif comprend un appareil émetteur et/ou récepteur d'énergie, par exemple un réflecteur d'antenne (3), qui est disposé mobile autour de plusieurs axes (X, Y, Z), avec limitation du mouvement de l'appareil (3) autour d'un axe (Y). Afin de permettre la poursuite continue, par exemple d'un satellite passant directement au-dessus du réflecteur (3), le dispositif comprend des moyens, tels que des capteurs de référence terrestre (5) et des gyroscopes (6), pour contrôler si l'appareil (3) tourne seulement autour de cet axe (Y) et, si cela est le cas, pour tourner la ligne de visée de l'appareil (3) de manière que celui-ci soit animé ensuite d'une rotation autour de plusieurs axes.

Description

Cette invention concerne un dispositif de commande et plus particulièrement, sans pour autant y etre limitée, des dispositifs pour commander le mouvement d'appareils émetteurs et/ou récepteurs d'énergie employés pour la poursuite de satellites en orbite et installés à bord de navires.

Un type d'appareil transmetteur et/ou récepteur d'énergie souvent employé pour la poursuite de satellites est un réflecteur d'antenne. De tels antennes peuvent être montées de façon classique dans un système de suspension à la Cardan ou monture pour etre mobiles autour de trois axes, comme représenté schématiquement sur la figure 1. Celle-ci montre un réflecteur 1 porté par un bras 2 qui est rotatif autour d'un premier axe X ou axe de rotation en azimut. Le réflecteur 1 est également monté mobile autour d'un second axe Y ou axe de rotation en hauteur, qui est perpendiculaire à l'axe azimutal X et au plan du dessin. Le troisième axe Z est perpendiculaire à l'axe Y de rotation en hauteur ou axe d'élévation et il est incliné par rapport à l'axe azimutal X. Pour qu'une antenne soit capable de poursuivre un satellite en orbite, son réflecteur doit être déplaçable sur 1800 d'horizon à horizon afin d'assurer une couverture hémisphérique. Si l'antenne est montée sur un véhicule ou un autre mobile, il est également nécessaire de tenir compte du mouvement du mobile. Au cas où une antenne est portée par un navire, par exemple, il peut être nécessaire de prévoir un mouvement supplémentaire de 400 dans les deux o directions, ce qui donne une couverture totale de 220 . Ce mouvement est rendu possible en tournant le réflecteur autour de l'axe d'élévation Y mais, en raison de la construction de la monture, il n'est pas capable de se déplacer sur la totalité des o 220 . Si un satellite apparait à l'horizon et si ce satellite a une trajectoire passant directement au-dessus d'une monture à mouvement limité, par exemple si le satellite passe directement au-dessus d'un réflecteur qui le suit par rotation autour de l'axe
Y, on voit qu'à une certaine position, illustrée sur la figure 2, la monture atteint la limite de sa mobilité dans la direction indiquée par la flèche et arrive en butée. Le réflecteur doit alors etre tourné rapidement sur 1800 autour de son axe azimutal X pour que la poursuite puisse être continuée. Ceci est également illustré sur la figure 3a-d, où la trajectoire du satellite est représentée par une ligne en tireté et la ligne de visée ou de pointage de l'antenne est indiquée par une flèche. Sur la figure 3a, les mécanismes de montage et de rotation autour des axes X et
Y (appelés ci-après les montages X et Y pour simplifier) sont orientés suivant la ligne de visée et le mécanisme de montage et de rotation sur l'axe Z agit pour maintenir l'axe Y horizontal. Sur la figure 3b, on voit que le montage Y est sur le point de venir en butée lorsque le satellite passe au zénith, le montage Z maintenant l'axe Y horizontal. Quand le satellite approche le zénith, le montage X doit être tourné instantanément sur 1800 pour maintenir la poursuite. Dans la figure 3c, le montage X s'est déplacé sur plus de 900 et est arrivé en butée. Le montage Z maintient l'axe Y horizontal. Le montage X est incapable de tourner suffisamment vite, de sorte que la poursuite est rompue (suivi perdu). La figure 3d montre la ré-acquisition du satellite par l'antenne après la perte du suivi. La ligne de visée du réflecteur doit donc être déviée du satellite et des vitesses de rotation élevées se produisent. Ce problème est particulièrement aigu s'il s'agit de poursuivre un satellite en orbite basse puisqu'un tel satellite peut passer d'horizon à horizon en quelques minutes seulement, se déplaçant à des vitesses de plusieurs degrés par seconde.

La présente invention vise à procurer un dispositif de commande perfectionné qui convienne en particulier pour commander le mouvement d'appareils employés dans les applications de poursuite de satellites et qui élimine ou réduise les problèmes liés à la poursuite d'un objet passant directement au-dessus de l'appaeil.

L'invention apporte un dispositif de commande qui comprend un appareil émetteur et/ou récepteur d'énergie disposé mobile autour de plusieurs axes, avec limitation du mouvement de l'appa reil autour d'un axe, et un moyen pour contrôler si l'appareil tourne seulement autour de cet axe et, si cela est le cas, pour tourner la ligne de visée de l'appareil, de manière que celui-ci soit animé ensuite d'une rotation autour de plusieurs axes. En appliquant l'invention, on peut éviter la venue en butée de la monture, du fait que le mouvement en une direction limitée est remplacé par un mouvement autour de deux ou davantage d'axes où il n'y a pas une telle limitation ou seulement une limitation relativement insignifiante. Un dispositif selon l'invention est applicable en particulier à des systèmes de poursuite, surtout lorsque l'objet à poursuivre est un satellite en orbite basse. L'invention permet de maintenir une poursuite continue, même si l'objet passe à la perpendiculaire d'un axe autour duquel le mouvement est limité. De plus, la rotation de la ligne de visée peut être opérée avant que la monture n'arrive en butée, ce qui permet d'exécuter la manoeuvre à des vitesses de rotation relativement lentes. Il est donc préférable qu'un moyen soit prévu pour tourner la ligne de visée de l'appareil lorsque celui-ci dépasse un seuil dans la direction où son mouvement est limité. Le seuil peut etre une valeur distincte, mais il peut aussi être réalisé de manière que la rotation de la ligne de visée soit effectuée progressivement.

L'appareil émetteur et/ou récepteur d'énergie peut être un réflecteur d'antenne ou tout autre type d'émetteur ou de récepteur, tel qu'un télescope optique, un émetteur/récepteur laser ou un dispositif de balayage ou d'imagerie infrarouge par exemple.

L'invention est applicable en particulier au cas où les axes comprennent un axe de rotation en hauteur, un axe de rotation en azimut et un troisième axe qui est perpendiculaire à l'axe de rotation en hauteur et incliné par rapport à l'axe de rotation en azimut.

Au cas où le mouvement limité est celui autour de l'axe de rotation en hauteur, il est avantageux de faire en sorte que la rotation de la ligne de visée se produise en fonction de la hauteur, en ce sens que la rotation de la ligne de visée augmente avec la hauteur.

Un dispositif selon l'invention peut être particulièrement avantageux quand il est installé à bord de navires, mais il peut aussi être porté par d'autres véhicules ou mobiles ou être implanté au sol.

Un mode de réalisation possible de l'invention va maintenant être décrit à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, sur lesquels
- la figure 4 est un schéma synoptique d'un système d'antenne selon l'invention ; et
- les figures 5, 6 et 7a-d sont des représentations schématiques servant à expliquer le fonctionnement du système d'antenne de la figure 4.

Le système représenté sur la figure 4 comprend une antenne avec un réflecteur 3 sur une monture permettant la rotation du réflecteur autour de trois axes : un axe de rotation en azimut X, un axe de rotation en hauteur Y et un troisième axe Z qui est perpendiculaire à l'axe Y et incliné par rapport à l'axe X. Des moteurs 4 sont prévus pour faire tourner le réflecteur 3 autour des axes de la monture. Le réflecteur 3 porte des capteurs de référence terrestre 5 et des gyroscopes à deux degrés de liberté 6. Ces derniers, au nombre de trois et orientés perpendiculairement entre eux, contrôlent le mouvement du réflecteur en azimut, en hauteur et dans sa rotation autour de la ligne de visée. Le signal de sortie des gyroscopes 6 est utilisé pour stabiliser le réflecteur 3 dans l'espace en le dirigeant en sens opposé à la suite de tout écart constaté. Le signal de sortie des gyroscopes 6 est appliqué par une ligne 7 à un circuit de transformation 8 qui convertit l'information de mouvement en signaux de commande pour les moteurs 4. Ceuxci font tourner le réflecteur 3 autour des axes appropriés pour compenser Le mouvement du navire par exemple.

Les capteurs de référence terrestre 5 comprennent deux accéléromètres et une boussole. L'accéléromètre d'élévation con trôle le basculement du réflecteur 3 à partir de la verticale dans un plan perpendiculaire à la ligne de visée du réflecteur et à un plan de référence parallèle à la surface de la Terre. Le second accéléromètre mesure le basculement à partir de la verticale dans un plan qui est perpendiculaire au plan dans lequel l'accéléromètre d'élévation se déplace et au plan de la surface de la Terre.

La boussole indique la direction du méridien nord-sud et peut être une boussole gyroscopique par exemple ou une boussole d'induction.

Les capteurs de référence terrestre 5 contrôlent la position actuelle du réflecteur 3 par rapport à la Terre.

Pendant le fonctionnement du système d'antenne, le réflecteur 3 est initialement dirigé vers un satellite à poursuivre par l'introduction manuelle d'information de position dans un circuit 9 de traitement à la demande, dont le signal de sortie, appliqué à la ligne 10, représente la direction que doit avoir la ligne de visée du réflecteur 3. La position requise du réflecteur 3 est comparée avec sa position actuelle dans un circuit de totalisation 11, lequel reçoit l'information donnant la position actuelle des capteurs de référence terrestre 5 par une ligne 12. Le signal de sortie du circuit de totalisation 11 est un signal de correction d'erreur qui représente la différence ente la position du satellite et la direction de pointage du réflecteur 3. Ce signal d'erreur est appliqué par une ligne 13 au circuit de transformation 8, lequel convertit ce signal en une forme adéquate pour la commande des moteurs 4 en vue du déplacement du réflecteur 3 dans le sens de la diminution de l'erreur. Pendant que le satellite taverse le ciel, il est poursuivi par un suiveur 14 qui pourrait être un suiveur par radio par exemple, un suiveur radar, un suiveur optique à infrarouge ou encore un suiveur laser. Le signal de sortie du suiveur 14 est envoyé au circuit 9 de traitement à la demande pour actualiser la position requise du réflecteur 3. Les deux axes de poursuite, appelés élévation et élévation transversale, sont perpendiculaires à la ligne de visée et l'un par rapport à l'autre. Dans le mode de réalisation décrit ici, l'erreur d'élévation est toujours une erreur autour de l'axe d'élévation ou axe de rotation en hauteur de l'antenne.

Si la hauteur que doit avoir le réflecteur 3 devient importante, il se produit une rotation autour de la ligne de visée pour permettre la poursuite du satellite. Un circuit intégrateur et de totalisation 15 produit un signal d'erreur de rotation, sur une ligne 17, en totalisant le signal de réaction de rotation négative et la position requise en rotation, laquelle est tirée du signal d'erreur dans la direction d'élévation transversale. L'erreur d'élévation transversale donne également la direction dans laquelle doit s'effectuer la rotation. Le signal d'erreur de rotation sur la
ligne 17 est appliqué à un circuit 18 de réglage du gain. L'amplitude du signal est ainsi augmentée en fonction de la hauteur du
réflecteur 3 en ce sens que le gain augmente avec la hauteur. Le signal de sortie du circuit de réglage du gain 18 est appliqué à un circuit de transformation 19 dont le signal de sortie est envoyé aux moteurs 14 pour la rotation de la ligne de visée. La rotation du réflecteur 3 est progressivement réduite à zéro, après le passage du zénith, par un signal de réaction convenablement converti en 19 et appliqué par une ligne 16 au circuit intégrateur et de totalisation 15. Le mouvement de rotation est détecté par les gyroscopes 6 ou par d'autres capteurs fournissant un signal appliqué au circuit de transformation 19 en vue de la stabilisation du réflecteur 3.

Le signal de sortie du circuit de réglage du gain 18 est envoyé aussi au circuit de traitement à la demande 9 afin de permettre la correction de la demande en fonction d'erreurs dues à
la rotation de la ligne de visée.

La rotation de la ligne de visée aux grandes hauteurs permet la poursuite continue d'un satellite passant directement audessus de l'antenne, sans que cela oblige à utiliser des vitesses de rotation élevées. Ce principe est illustré à l'aide des figures 5 et 6. Le réflecteur 3, tel que représenté sur la figure 5, est dirigé directement vers l'observateur. Lorsqu'un des satellites passe à peu près directement au-dessus de l'antenne, le réflecteur 3 tourne vers le haut autour de l'axe Y. A mesure que la hauteur croît, le gain du circuit de réglage du gain 18 augmente et la ligne de visée est obligée de tourner. Dans cet exemple, on a supposé que le satellite passe légèrement à droite de l'antenne, telle représentée, et le sens de l'erreur de poursuite transversale fait tourner la monture de l'antenne dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre. La rotation de la ligne de visée ne peut pas être obtenue, pendant que le réflecteur 3 effectue une poursuite, par la seule rotation autour de l'axe Y, du fait que le mouvement autour de cet axe est limité. La rotation nécessaire est obtenue en produisant une rotation autour de l'axe azimutal X, dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre, et en contrôlant la rotation autour de l'axe Y et du troisième axe Z. La ligne de visée peut ainsi être tournée tout en la maintenant pointée vers le satellite.

Le signal de rotation de la ligne de visée est tiré de l'intégration et de la totalisation du signal de réaction sur la ligne 16 et du signal d'erreur de poursuite transversale, obtenu habituellement de la station terrienne du satellite ou par un système de télécommunication de signaux. Le signal de rotation de la ligne de visée est envoyé par le circuit de réglage du gain 18 à alunite de transformation 19. La rotation produite de la ligne de visée agit sur le montage Z de manière que l'axe Y soit tourné dans le sens de son éloignement de l'horizontale et vers le satellite.

La rotation de la ligne de visée réduit également le mouvement du montage Y sur l'axe d'élévation, autour duquel le mouvement est limité, ce qui permet de continuer la poursuite avec de faibles vitesses de rotation de la monture et sans que la monture vienne en butée, de sorte qu'il suffit de mouvements relativement lents pour préserver une poursuite continue.

Quand le satellite passe au-dessus de l'antenne, on obtient la position illustrée sur la figure 6, laquelle est dessinée à partir du même point de vue que la figure 5. Comme la direction dans laquelle le mouvement est limité - autour de l'axe de rotation en hauteur Y - est placée perpendiculairement à la trajectoire du satellite, de faibles rotations seulement autour de l'axe Y sont ensuite nécessaires pour corriger les erreurs de poursuite transversale. Le mouvement nécessaire pour la poursuite dans la direction de déplacement du satellite est obtenu en animant le réflecteur 3 de rotations autour d'axes ou le mouvement n'est pas limité, c'est-à-dire les axes X et Z. La rotation de la ligne de visée change donc effectivement les déplacements de la monture de telle manière que le mouvement dans une direction à mobilité limitée est remplacé par des mouvements autour d'axes ne présentant pas de limitation.

Quand le satellite est passé au-dessus de l'antenne, la rotation de la ligne de visée est progressivement réduite par le signal de réaction appliqué par la ligne 16 au circuit d'intégration et de totalisation 15. La rotation autour de l'axe Z est finalement ramenée à zéro, l'axe X étant alors horizontal, quand la
o rotation en azimut, autour de l'axe X, a couvert environ 180 . A ce stade, le satellite est relativement bas et la poursuite s'effectue en utilisant les mécanismes de montage et de rotation en hauteur et en azimut, autour des axes Y et X respectivement, pendant que le mécanisme de montage et de rotation autour de l'axe Z reste orienté horizontalement.

Ceci est illustré en outre par les figures 7a à 7d, se rapportant au passage du satellite au-dessus de l'antenne. Sur la figure 7a, le satellite s'approche de l'antenne suivant la trajectoire représentée par la ligne en tireté. Le montage X tourne lentement, en avance du passage du satellite au zénith, et le montage Z tourne l'axe Y vers le satellite afin de maintenir le montage Y à ligne de visée à moins de 900, l'axe Y n'étant pas horizontal. Dans la figure 7b, le montage X, à présent perpendiculaire à la ligne de visée, tourne encore lentement. La rotation autour de l'axe Z se poursuit pour que la ligne de visée reste pointée vers le satellite. La rotation autour du montage Y est de nouveau inférieure à 900 et l'axe Y n'est pas horizontal. La figure 7c illustre la situation juste après le passage du satellite au-dessus de l'antenne. La rotation autour des montages
X et Z continue pour maintenir la ligne de visée de l'antenne dirigée vers le satellite. La rotation de la ligne de visée est réduite par le signal de réaction sur la ligne 16. Sur la figure 7d, le montage X est sur la ligne de visée et le montage Z tourne l'axe Y vers l'horizontale. L'agencement est donc tel que la rotation de la ligne de visée s'effectue avant que le mouvement de rotation en hauteur autour de l'axe Y n'atteigne sa fin de course.

En cas d'utilisation de la polarisation circulaire, la rotation de la ligne de visée n'altère pas la réception ou l'émission des signaux. Au cas où une polarisation non circulaire, par exemple une polarisation linéaire est employée, la rotation connue appliquée est utilisée pour apporter des corrections aux plans de polarisation afin d'assurer que la réception et l'émission des signaux restent optimales. Le dispositif selon l'invention peut comporter un moyen permettant d'utiliser la rotation de la ligne de visée pour assurer la correction des plans de polarisation.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Dispositif de commande comprenant un appareil émetteur et/ou récepteur d'énergie (3) disposé mobile autour de plusieurs axes (X, Y, Z), avec limitation du mouvement de l'appareil (3) autour d'un axe (Y), caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (5, 6) pour contrôler si l'appareil (3) tourne seulement autour de cet axe (Y) et, si cela est le cas, pour tourner la ligne de visée de l'appareil (3) de manière que celui-ci soit animé ensuite d'une rotation autour de plusieurs axes.

2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant des moyens (4) pour tourner la Ligne de visée de l'appareil (3) lorsque celui-ci dépasse un seuil dans la direction où son mouvement est limité.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les axes comprennent un axe de rotation en hauteur (Y), un axe de rotation en azimut (X) et un troisième axe (Z) qui est pependiculaire à l'axe de rotation en hauteur et est incliné par rapport à l'axe de rotation en azimut.

4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel, au cas où le mouvement limité est le mouvement autour de l'axe de rotation en hauteur (Y), la rotation de la ligne de visée est produite en fonction de la hauteur, de manière que la rotation de la ligne de visée augmente avec l'augmentation de la hauteur.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'appareil est un réflecteur d'antenne (3).

6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel des moyens sont prévus pour utiliser la rotation de la ligne de visée afin de produire une correction de plans de polarisation.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, où l'appareil (3) est porté à bord d'un navire.

8. Système de poursuite de satellite, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes.