FR2777365A1 - Procede d'identification d'un capteur effectuant des mesures erronees dans un engin spatial - Google Patents

Procede d'identification d'un capteur effectuant des mesures erronees dans un engin spatial Download PDF

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Abstract

Procédé pour identifier un capteur effectuant des mesures erronées d'un ensemble de capteurs installés dans un engin spatial, permettant de mesurer des vecteurs directionnels externes par rapport à un système de coordonnées appartenant à l'engin spatial, et qui indique la direction d'objets externes tels que la Terre, le soleil ou des étoiles sélectionnées. En utilisant des informations concernant l'instant actuel ainsi que l'emplacement instantané de l'engin spatial, on calcule les vecteurs directionnels externes instantanés par rapport à un système de coordonnées inertielles; on définit des angles entre les vecteurs directionnels mesurés à l'aide des capteurs et les angles entre les différents vecteurs directionnels calculés, et on compare les angles correspondants aux vecteurs directionnels des deux systèmes de coordonnées.

Description

La présente invention concerne un procédé pour identifier un capteur effectuant des mesures erronées, qui appartient à un certain nombre de capteurs installés dans un engin spatial, permettant de mesurer des vecteurs directionnels externes par rapport à un système de coordonnées appartenant à un engin spatial, et qui indique lui-même la direction d'objets externes tels que la Terre, le soleil ou des étoiles sélectionnées par rapport à l'emplacement instantané de l'engin spatial ou des vecteurs de champ externes comme par exemple du champ magnétique terrestre à l'emplacement actuel de l'engin spatial.
Les engins spatiaux, notamment les satellites terrestres qui, pour assurer leur mission doivent respecter sur leur trajectoire une orientation prédéterminée par exemple par rapport à un système de coordonnées données de trajectoire, sont équipés de systèmes de régulation de position
Ces systèmes utilisent des capteurs fournissant des mesures permettant de déduire une information de position en trois axes.
Dans le cas des satellites terrestres, il s'agit par exemple de capteurs de Terre, de capteurs de soleil, de capteur d'étoiles ou de magnétomètres. Les trois premiers types de capteurs mesurent des vecteurs directionnels indiquant la direction d'objets externes à savoir, la Terre, le soleil ou des étoiles choisies par rapport à l'emplacement instantané de l'engin spatial. Dans un satellite terrestre, un magnétomètre mesure l'intensité et la direction du champ magnétique terrestre de l'emplacement instantané en donnant le cas échéant un vecteur directionnel. Tous ces vecteurs directionnels peuvent être représentés comme des vecteurs unitaires rapportés au système de coordonnées de l'engin spatial.
Un tel système de coordonnées peut se composer par exemple de trois axes orthogonaux X, Y, X qui, dans un cas de satellite terrestre sont alignés dans le cas nominal pour que l'axe Z (axe de giration) soit dirigé vers le centre de la Terre, que l'axe X (axe de tangage) soit dirigé dans la direction de la trajectoire et que l'axe Y (axe de bascule ment) soit perpendiculaire aux deux autres axes, c' est-à-dire à la trajectoire de l'engin spatial.
A partir des vecteurs directionnels mesurés, on peut conclure à des directions erronées de l'engin spatial autour d'un ou plusieurs des trois axes du système de coordonnées appartenant à l'engin spatial, si les vecteurs ne correspondent pas à des vecteurs de référence prédéterminés.
Ces défauts d'alignement peuvent alors être éliminés avec des actionneurs créant des couples d'actionnement tels que par exemple des buses à réaction, des roues à inertie ou des générateurs de couple magnétique.
Dans un tel système de régulation de position, il est particulièrement important de déceler automatiquement toute erreur qui se produit dans la mesure de la position ou dans la mesure des vecteurs de direction, pour éviter suffisamment à temps des effets négatifs plus importants d'un défaut de capteur. Les moyens de détection de défauts connus actuellement, consistent à vérifier la plausibilité des valeurs fournies par les capteurs. Cela consiste par exemple à déterminer si une mesure a été constante de façon absolue pendant une durée prolongée ou si elle n'indique que des valeurs dans une certaine plage ou si la variation due à une mesure dépasse une certaine amplitude. De telles surveillances sont très compliquées et de ce fait très coûteuses en programme si par exemple une mesure d'angle se compose de nombreuses mesures partielles qui peuvent être entachées chacune d'une erreur. De plus, ces mesures sont difficiles à réaliser, car les limites d'erreurs correspondantes ne peuvent pas être indiquées facilement. Si ces limites d'erreurs sont trop étroites, elles sont facilement dépassées sans qu'il y ait effectivement un défaut ; au contraire, si ces limites d'erreurs sont trop lâches, il peut arriver qu'une erreur ne soit pas reconnue suffisamment à temps.
La présente invention a pour but de développer un procédé permettant de reconnaître de manière plus efficace les capteurs effectuant des mesures erronées.
A cet effet, l'invention concerne un système du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que - on calcule les vecteurs directionnels externes instantanés
par rapport à un système de coordonnées inertielles, en
utilisant des informations concernant l'instant actuel res
pectif ainsi que l'emplacement instantané de l'engin spa
tial, - on définit des angles entre les vecteurs directionnels,
différents mesurés à l'aide des capteurs ainsi que les an
gles entre les différents vecteurs directionnels calculés,
et - enfin, on compare les angles correspondants aux vecteurs
directionnels pour les deux systèmes de coordonnées, - un capteur étant considéré comme mesurant avec des erreurs
si pour une comparaison d'angle, tous les angles à détermi
nation desquels a participé un vecteur directionnel mesuré
par ce capteur, diffèrent de plus d'une valeur minimale
prédéterminée.
Ainsi, tout d'abord, en utilisant les informations concernant l'instant instantané et l'emplacement instantané de l'engin spatial, on calcule les vecteurs directionnels externes actuels par rapport à un système de coordonnées d' inertie.
Selon une autre caractéristique avantageuse, les informations concernant l'instant actuel et l'emplacement instantané respectif de l'engin spatial sont reçues par une station au sol et leur exploitation des données GPS se fait à bord de l'engin spatial ou à l'aide d'un modèle de la trajectoire de l'engin spatial, en fonction du temps, ce modèle étant mémorisé à bord de l'engin spatial.
Ainsi, les informations peuvent être indiquées de manière alternative pour être reçues par une station au sol, être obtenues par exploitation des données GPS à bord de l'engin spatial ou être obtenues à l'aide d'un modèle dépendant du temps de la trajectoire de l'engin spatial, enregistrée dans l'engin spatial. Comme système de coordonnées inertielles, on peut choisir par exemple dans le cas d'un satellite terrestre, un système pour lequel l'axe est perpendiculaire au plan de la trajectoire terrestre, un autre axe est parallèle à la direction de la trajectoire terrestre zénith solstice d'été et la troisième droite est perpendiculaire aux deux précédentes. Ce système de coordonnées peut être centré au centre de la Terre et tourner de manière imaginaire autour du soleil avec sa trajectoire.
Suivant la date et l'heure, on peut alors calculer en connaissant en plus le lieu du satellite terrestre sur sa trajectoire, les vecteurs directionnels intéressants. Il s'agit par exemple du vecteur terrestre dirigé de l'emplacement du satellite vers le centre de la Terre, du vecteur de soleil dirigé vers le centre du soleil et d'un ou plusieurs vecteurs d'étoiles dirigés vers les étoiles présélectionnées et ainsi finalement, du vecteur de champ magnétique à l'emplacement du satellite. Les vecteurs directionnels ainsi calculés, sont rapportés au système de coordonnées inertielles.
De plus, les angles entre ces vecteurs directionnels doivent être déterminés de même que les angles entre les vecteurs directionnels mesurés directement par les capteurs.
Ces angles sont définis ainsi dans le premier cas cité entre les vecteurs directionnels définis dans le système de coordonnées inertielles et dans le second cas entre les vecteurs directionnels définis dans le système de coordonnées du satellite ou de l'engin spatial. Les angles eux-mêmes sont indépendants dans leur résultat, du système de coordonnées dans lequel ils ont été calculés. Pour une mesure correcte et le calcul, il faut que les angles qui se correspondent soient égaux par exemple l'angle entre les vecteurs de Terre et de soleil calculé dans le système de coordonnées inertielles et celui entre les vecteurs de Terre et de soleil mesuré dans le système de coordonnées de l'engin spatial.
Enfin, on compare les vecteurs correspondant aux vecteurs directionnels participants, c'est-à-dire par exemple l'angle chaque fois entre les vecteurs de Terre et de soleil évoqués ci-dessus, et provenant des deux systèmes de coordonnées. Cette comparaison des angles est indépendante de l'alignement instantané de l'engin spatial ou du système de coordonnées à la base des vecteurs directionnels.
Un capteur peut alors être identifié comme mesurant avec erreur si pour cette comparaison d'angles, tous les angles Cnt été déterminés avec le vecteur directionnel mesuré par ce capteur, et que ces angles diffèrent d'une différence supérieure à une valeur minimale prédéterminée.
Les données GPS reçues par les satellites GPS permettent également de déterminer la position instantanée de l'engin spatial. A partir de là, et avec des informations également reçues, concernant l'emplacement et l'instant, on peut alors calculer les vecteurs directionnels dans le système de coordonnées de l'engin spatial. Cela permet de comparer entre les vecteurs directionnels calculés et les vecteurs directionnels mesurés à l'aide des capteurs embarqués du satellite. Le résultat de cette comparaison peut s'utiliser pour juger si un capteur mesure avec des erreurs.
Dans la présente description, on décrira l'invention à l'aide d'une figure en forme de schéma fonctionnel.
Cet exemple de réalisation montre un capteur Terrestre l, un capteur solaire 2 ainsi qu'un magnétocapteur 3 ces trois capteurs se trouvent tous à bord d'un engin spatial. Les composantes des fonctions liées à l'engin spatial sont séparées de l'enceinte extérieure par une ligne en trait interrompu. Comme source d'information externe, il y a une station au sol 4 ainsi qu'un système de satellite GPS 5 (GPS = Global Positioning System). Un modèle de trajectoire 6 peut être mis en mémoire dans l'engin spatial.
La condition pour le fonctionnement du procédé selon l'invention est que tout d'abord certains vecteurs directionnels sont définis d'une part vis-à-vis du système de coordonnées solidaire de l'espace et d'autre part vis-à-vis d'un système présélectionné de coordonnées inertielles. Dans l'exemple de réalisation, il s'agit dans le premier cas du capteur terrestre l et dans le second cas du capteur solaire 2 ainsi que des vecteurs directionnels mesurés par le magnétomètre 3 à savoir le vecteur terrestre (e), le vecteur so- laire (s) ainsi que le vecteur de champ magnétique (m). Ces informations sont définies comme étant des vecteurs unitaires au cours du système de coordonnées appartenant à l'engin spatial.
Dans le second cas, il faut déterminer des vecteurs directionnels correspondants, rapportés à un système de coordonnées inertielles, à savoir un vecteur terrestre inertiel (ei), un vecteur solaire inertiel (si) ainsi qu'un vecteur de champ magnétique inertiel (mi). Pour déterminer ces vecteurs, il faut connaitre exactement le point instantané sur la trajectoire et l'instant qui lui correspond. Pour cela, on prend un système de coordonnées inertielles centré à l'emplacement respectif de l'engin spatial et emporté par celui-ci. On peut alors en utilisant des lois générales, calculer l'orientation et ainsi les composants des vecteurs directionnels choisis par rapport aux systèmes de coordonnées inertielles choisis, à tout instant. Cette information concernant l'instant actuel et le point actuel sur la trajectoire, peut être obtenue à partir d'un modèle de trajectoire entraîné dans l'engin spatial, combiné avec une horloge qui détermine le temps et par télémétrie d'une station sol ou à l'aide d'un récepteur GPS embarqué dans l'engin spatial, on peut se rapporter à un système de satellite GPS externe.
Dans une étape suivante du procédé, on calcule d'une part les angles a, ss, y entre les vecteurs directionnels (e) et (s), (e) et (m) ou (s) et (m), mesurés chaque fois dans le système de coordonnées appartenant au véhicule de l'espace. En parallèle à cela, on calcule les angles correspondants ai, ssit yi entre les vecteurs directionnels (ei) et (si), (ei) et (mi) ou (si) définis dans le système de coordonnées inertielles. On obtient ainsi
T
a = arccos ( es
ss = arccos ( emTT
y = arccos ( ms
et
T
ai = arccos ( ejsi
ssi = arccos ( eimiTT ) γi = arccos ( misi )
Dans l'étape suivante du procédé, on compare si les angles qui se correspondent sont égaux ou s'ils ne diffèrent que d'une faible amplitude acceptable. Le résultat de cette comparaison permet de savoir si l'un des capteurs participant mesure avec erreur. A ce moment, il y aurait émission d'un signal d'erreur.
Si par exemple la différence entre l'angle ai et l'angle a dépasse un seuil de tolérance prédéterminé gl, il en résulte une mesure entachée d'erreurs soit au niveau du capteur terrestre 1, soit du capteur solaire 2. Si la différence entre l'angle ssi et l'angle ss est trop grande mais qu'il n'en est pas de même de la différence entre l'angle yi et l'angle y, on peut en conclure que l'erreur doit se trouver au niveau du capteur terrestre 1, car le vecteur terrestre (e) mesuré par celui-ci est utilisé à la fois pour déterminer l'angle a et l'angle ss. Comme la différence entre les angles yi et Y se trouve au contraire dans la plage autorisée, on est fondé à en conclure que le capteur solaire 2 et le capteur magnétique 3 mesurent correctement.
Pour assister encore plus la décision pour savoir s'il y a ou non une mesure erronée, on peut utiliser une information disponible dans le cas où il y a un récepteur GPS.
A partir des signaux GPS reçus, on peut en effet déterminer la position instantanée de l'engin spatial, c'est-à-dire l'orientation de son système de coordonnées embarqué, par rapport au système de coordonnées inertielles choisi. Les vecteurs directionnels, inertiels (ei), (si), (mi) déjà calculés, peuvent alors être transformés dans le système de coordonnées appartenant à l'engin spatial en partant en quelque sorte d'une base inertielle. On en déduit les vecteurs directionnels (eG), (sG) r (mG)-
Ces vecteurs directionnels peuvent se comparer au cours d'une étape supplémentaire facultative, à ceux provenant des mesures de capteur et rapportés également au système de coordonnées appartenant à l'engin spatial, par rapport aux vecteurs directionnels (e), (s), (m). Dans cette comparaison, on détermine chaque fois l'angle entre les vecteurs directionnels correspondants ; ainsi, par exemple un angle aG en tre les vecteurs directionnels (eG) et (e). Si les capteurs mesurent correctement, ces angles doivent être pratiquement nuls ce qui suppose un fonctionnement correct du système GPS.
Les angles aG, ssGt rG sont définis comme suit
αG = arccos ( eeGT )
T ssG = arccos ( mmG
T
rG = arccos ( ssG
Si l'un de ces angles dépasse un seuil de tolérance prédéterminé, on peut supposer que le vecteur correspondant mesure avec erreur. Cette information peut s'utiliser pour soutenir la décision primaire déjà évoquée ci-dessus.
La procédure décrite de manière générale cidessus, sera explicitée ci-après avec un exemple numérique dans lequel on suppose l'existence d'un système GPS fonctionnant normalement.
Les mesures des capteurs donnent par exemple les vecteurs directionnels suivants
T
e = ( 0.0, 0.0, 1.0 )
T
s = ( -0.673, 0.303, 0.675
T
m = ( 0.461, -0.8, 0.385
On en déduit les angles
a = 47.54
ss = 67.4 γ = 107.0
Pour les vecteurs directionnels déterminés par rapport au système de coordonnées inertielles, on obtient
T
ei = ( 0.5, 0.5, 0.707
T
Si = ( -0.3, 0.6, 0.742
T
mi = ( 0.8, -0.5, 0.332
Les angles correspondants sont les suivants
ai = 47.580
ssi = 67.37
γi = 107.08
Déjà sur la base de ces valeurs, on peut donner une indication qu'apparemment il n'y a pas de défaut de capteur, car la comparaison des angles ai, a, ssi, ss, αi, y montre que les différences existantes sont inférieures à un seuil fixé par exemple à 20. Ce résultat est confirmé par la considération des vecteurs directionnels qui découle de l'information de position du système GPS, à savoir
T
eG = ( 0.0, 0.0, 1.0)
T SG = ( -0.673, 0.303, 0.675
T
mG = ( 0.461, -0.8, 0.385
La comparaison des valeurs de e et eG ; de s et 5G et m et mG montre que l'angle entre ces vecteurs est chaque fois égal à zéro.
αG = 0.0
ssG = 0.0
γG = 0.0
On peut conclure à une erreur de magnétomètre si pour le vecteur directionnel m mesuré par le magnétomètre, on obtient par exemple la valeur suivante
T
m = ( 0.5, -0.5, 0.707
Pour les angles déterminants, on obtient alors les valeurs suivantes
a = 47.540
ss = 45.0
y = 90.60
ssG = 25.5
rG = 0.00
La comparaison des valeurs a, ss, y avec les valeurs indiquées ci-dessus en se référant au système de coordonnées inertielles avec les valeurs obtenues pour ai, ssit yi montre sans équivoque que toutes les mesures d'angle faites avec le magnétomètre, dépassent les limites d'erreurs si bien que le magnétomètre doit être considéré comme mesurant avec des erreurs. Cela est confirmé par la valeur ssG qui est fortement différente de zéro.
L'exemple suivant montre qu'il y a une erreur dans le système GPS. En variante, aux exemples ci-dessus, on suppose ici que l'on a les valeurs suivantes pour les vecteurs directionnels
T
eG = (0.0, 0.707, 0.707)
T sG = ( -0.673, 0.691, 0.263
T
mG = ( 0.461, -0.293, 0.838)
On en déduit des valeurs angulaires significativement différentes de zéro
aG = 45.0"
ssG = 32.90
rG = 39.70
Une telle constellation indique clairement qu'il y a un défaut GPS.
Pour l'unicité de la décision ou la confirmation de décision déjà trouvée, les variantes suivantes peuvent être importantes qui découlent de constellations de capteurs particuliers.
Dans beaucoup de cas, les capteurs sont redondants et même des valeurs de mesure de capteurs redondants peuvent servir à la détection de défauts (redondance chaude).
Dans un tel cas, on compare tout d'abord entre les vecteurs directionnels mesurés par les deux capteurs redondants. Si les vecteurs directionnels mesurés sont considérés comme suffisamment identiques, on considère la mesure de ce type de capteur comme correcte. Mais si on constate un angle défec tueux entre le vecteur directionnel mesuré par ce capteur et le vecteur directionnel mesuré par un autre capteur, il n'est plus nécessaire de prendre une décision à la majorité.
Si la comparaison entre les vecteurs direction nels montre néanmoins un défaut, on définit un vecteur directionnel à la fois de la mesure du capteur principal et du capteur redondant. Il n'est pas non plus nécessaire dans ce cas de prendre une décision à la majorité car on peut supposer qu'un autre capteur ne sera pas défaillant au même instant et ainsi que la comparaison d'angle avec un autre capteur conduit à l'isolation du défaut.
Il peut en outre arriver qu'un capteur de Terre, se compose de trois têtes de mesure différentes dans le satellite qui permettent chaque fois une mesure selon un axe propre. A partir des mesures de tête, on peut définir le vecteur terrestre dans le système des coordonnées appartenant à l'engin spatial. La comparaison des mesures des trois têtes permet d'obtenir une information indiquant si l'une des trois têtes donne une mesure défectueuse. Si un défaut de capteur terrestre est décrit de cette manière, ce procédé ne permet néanmoins pas d'identifier la tête de mesure défectueuse.
Mais dans ce cas, il n'est pas non plus nécessaire de prendre une décision à la majorité si l'un des deux capteurs participant à la comparaison des angles peut être considéré par hypothèse comme mesurant correctement. Si à l'exploitation des mesures faites par les trois têtes de mesure, on constate un défaut, à partir de chaque fois deux mesures, on définit un vecteur directionnel, c'est-à-dire globalement trois vecteurs directionnels. Deux des vecteurs correspondent à la tête de mesure défectueuse et l'une des têtes de mesure ne présente pas de défaut. Si l'on compare les angles avec une mesure directionnelle faite avec un autre type de capteur, on peut identifier la tête de mesure défectueuse sans nécessiter de décision à la majorité : les deux têtes de mesure dont les vecteurs ne donnent pas de défaut par leur comparaison angulaire, sont ceux qui correspondent à des mesures correctes.
La troisième tête de mesure est dans ces conditions entachée de défauts.
Enfin, il existe des capteurs qui sont fréquemment redondants très fortement et permettent de fournir autant de mesures ce qui permet simplement à partir des mesures de ce type de capteur, de déterminer le défaut de ce capteur et l'identifier. On peut ainsi toujours donner un vecteur directionnel correct à partir de ce capteur pour la comparaison avec d'autres capteurs. Un exemple est celui d'un capteur de soleil composé de plusieurs parties dont chacune est installée dans une autre direction de montage et qui peut générer un vecteur soleil avec des mesures redondantes. Les différents types de capteurs solaires servent à étendre le domaine d'application des capteurs et ils sont installés pour avoir des zones qui se chevauchent. Dans ces zones de surveillance qui se chevauchent pour les parties de capteurs solaires, on dispose alors de mesures permettant les quatre déterminations de vecteurs solaires résultant chaque fois de mesures différentes. Cela permet de prendre une décision à la majorité à l'intérieur des mesures de capteurs solaires.

Claims (1)

  1. REVENDICATIONS 10) Procédé pour identifier un capteur effectuant des mesures erronées, qui appartient à un certain nombre de capteurs installés dans un engin spatial, permettant de mesurer des vecteurs directionnels externes par rapport à un système de coordonnées appartenant à un engin spatial, et qui indique lui-même la direction d'objets externes tels que la Terre, le soleil ou des étoiles sélectionnées par rapport à l'emplacement instantané de l'engin spatial ou des vecteurs de champ externes comme par exemple du champ magnétique terrestre à l'emplacement actuel de l'engin spatial, caractérisé en ce que - on calcule les vecteurs directionnels externes instantanés
    (e1, Sil m1) par rapport à un système de coordonnées iner
    tielles, en utilisant des informations concernant l'instant
    actuel respectif ainsi que l'emplacement instantané de
    l'engin spatial, - on définit des angles (a, ss, y) entre les vecteurs direc
    tionnels (e, s, m), différents mesurés à l'aide des cap
    teurs ainsi que les angles (ai, ssit yi) entre les
    différents vecteurs directionnels calculés (ei, sir mi), et - enfin, on compare les angles (a, ai, ss, ssit y, y1) corres
    pondants aux vecteurs directionnels pour les deux systèmes
    de coordonnées, - un capteur étant considéré comme mesurant avec des erreurs
    si pour une comparaison d'angle, tous les angles à détermi
    nation desquels a participé un vecteur directionnel mesuré
    par ce capteur, diffèrent de plus d'une valeur minimale
    prédéterminée.
    2") Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les informations concernant l'instant actuel et l'emplacement instantané respectif de l'engin spatial sont reçues par une station au sol et leur exploitation des données GPS se fait à bord de l'engin spatial ou à l'aide d'un modèle de la trajectoire de l'engin spatial, en fonction du temps, ce modèle étant mémorisé à bord de l'engin spatial.
    3 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' - on détermine la position actuelle de l'engin spatial en ap
    pliquant les données GPS reçues et à partir de là, ainsi
    que des informations concernant l'instant et l'emplacement
    de l'engin spatial on calcule les vecteurs directionnels
    (eG, SG, mG) par rapport au système de coordonnées apparte
    nant à l'engin spatial, - on compare entre les vecteurs directionnels calculés (eG,
    SG, mG) et les vecteurs directionnels (e, s, m) mesurés à
    l'aide des capteurs, - et enfin, on utilise le résultat de cette comparaison pour
    décider s'il y a ou non un capteur mesurant avec erreur.
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