Brevet FR2216560A1 — publié le 19740830

La présente invention concerne un procédé de correction de la réponse d'un senseur d'horizon statique embarqué à bord d'un satellite stabilisé; elle concerne également un senseur horizon comportant application dudit procédé. La détermination de l'attitude d'un satellite par rapport à un astre de grand diamètre apparent ne peut pas s1 effectuer par une visée vers le centre de cet astre, puisqu'aucun repère ne matérialise ce point; elle est donc obtenue généralement par plusieurs visées vers l'horizon de cet astre, suivant au moins deux directions - généralement perpendiculaires - , visées qui sont faites par des senseurs dits senseurs dthorizon"e Dans le cas où l'astre visé est la Terre, ce qui est le plus fréquent, le senseur doit astre sensible à la différence entre le rayonnement émis par la Terre et celui dA à 1'Espace, bien que cette différence soit faible. La composante spectrale du rayonnement utilisé est généralement située dans l'infrarouge, et l'un des procédés permettant de situer la position de l'horizon terrestre consiste à utiliser un senseur statique d'horizon essentiellement constitué par une optique formant l'image de la Terre sur quatre détecteurs infrarouge disposés deux par deux en opposition et suivant deux directions perpendiculaires. Les détecteurs doivent répondre sans dérive à une composante continue d'énergies ce qui explique pourquoi on utilise habituellement des thermocouples ou des thermopiles.Dans un senseur statique tel que celui qui vient d'être sommairement décrit, une paire de thermopiles diamétralement opposées constituent une voie de mesure dont l'axe de référence est défini par l'axe des deux thermopiles, tout déplacement du satellite - par rapport à la géocentrique suivant cet axe - provoque une augmentation de la surface reeoüverte par l'image de la Terre pour une thermopile et une diminution pour 1r autre thermopile, alors que, pour un alignement parfait du satellite, les surfaces recouvertes sont égales0 Les signaux électriques des deux thermopiles sont combinés en opposition et, après amplification, le signal résultant constitue la réponse du senseur pour la voie considérée.Si le rayonnement de la Terre est uniforme et si les thermopiles ont des caractéristiques identiques, la réponse est en principe nulle pour un dépointage nul et proportionnelle à x pour un dépointage x Pratiquement, il y a de nombreuses raisons d'erreur pour un senseur qui ne comprend que des thermopiles de mesure; ce sont - les variations de luminance de la Terre, - la luminance de la thermopile rayonnant vers 11Espace (chaque thermopile rayonne en effet vers 1'Espace étant donné que sa température est supérieure à la température de l'Espace), - les variations du gain de la-chatne d'amplification associée aux thermopiles, - la différence entre les sensibilités des thermopiles. Il est connu, pour compenser les variations de luminance de la Terre, d'associer aux deux thermopiles d'une voie de mesure deux éléments thermosensibles de mimes dimensions et caractéristiques, affectés chacun à une thermopile et dont la surface est recouverte en totalité par l'image de la Terre0 Les signaux combinés pour former la réponse du senseur pour la voie de mesure considérée sont le résultat de la soustraction au signal fourni par une thermopile du signal fourni par l'élément de compensation correspondant.En fait, la compensation ntest pas parfaite car il est difficile de réaliser une disposition des éléments telle que la luminance de la Terre soit égale pour une thermopile et 1' élément de compensation correspondant ( étant donné que les surfaces des éléments projetées sur la Terre, bien que très voisines, ne sont pas identiques), et la compensation n'est parfaite qu'en prenant pour hypothèse cette égalité. De plus, subsistent les trois autres causes d'erreur. Il a également été proposé un autre système de compensation selon lequel, à chaque thermopile, est associée une paire d'éléments thermosensibles dont llun a l'Espace dans son champ de vue et l'autre, la Terre. Avant astre combiné pour former la réponse du senseur pour la voie de mesure considérée, le signal fourni par une thermopile est divisé par le signal résultant de la soustraction des signaux fournis par les deux éléments de compensation correspondants. Ce système de compensation appelle les mimes remarques que précédemment; il a toutefois l'avantage - quoique cet avantage ne soit pas à prendre en considération ici - de faire dis palastre l'erreur due au couplage des voies dans un senseur utilisant des thermopiles non diamétralement opposées. La présente invention se propose d'obtenir, pour une voie de mesure, une réponse qui soit indépendante - des variations de luminances de la Terre, - de la luminance des thermopiles vers l'Espace, - des variations globales de sensibilité des thermopiles (compte- tenu d2un mode technologique de réalisation), - des variations de gain de la channe d'amplification, - par extension, du couplage des voies dans un senseur soumis à ce type d'erreur Le procédé conforme à l'invention permet de corriger la réponse d'un senseur statique d'horizon embarqué à bord d'un satellite stationnaire, du type comportant une optique de formation de l'image de la Terre, la ligne de transition Terre-Espace de ladite image traversant la surface d'au moins un élément plan thermosensible de mesure centré sur l'image d1un axe de la Terre pris comme référence pour la mesure du déplacement du satellite ou "dépointa- ge" par rapport à la géocentrique, ledit élément de mesure fournissent un signal im égal à S. ( At# x).Lt - S.A.Ls, expression dans laquelle - S est la sensibilité de 11 élément de mesure, - À est la surface totale dudit élément de mesure, -At est la surface de l'élément de mesure recouverte par Image de la Terre pour un dépointage nul, - x exprime le dépointage par une valeur de surface d'élément de mesure s'ajoutant à ou se retranchant de At, - Lt est la luminance de la Terre rayonnant vers 12 élément, - Ls est la luminance de l'élément rayonnant vers l'Espace; il est principalement caractérisé en ce qu'il consiste : 1,1/ à former un signal de compensation soustractive Rcs égal à S.At.Lt - S.Â.Ls, 1,2/ à retrancher le signal Rcs du signal Rm de façon à obtenir un premier signal corrige Rcl égal à S.Lt. ( t i ), indépendant de la luminance Ls, 1,3/ à former un signal de compensation multiplicative Rcm égal à S.Lt'.Â' , expression dans laquelle :: -A' représente une valeur quelconque de surface thermosensible, - Lt' représente une valeur de luminance de la Terre qui subit les mêmes variations relatives que Lt, 1,4/ à diviser le premier signal corrigé Rcl par le signal Rcm de façon à obtenir un second signal corrigé Rc2 égal à kILt ( +1 )/ Lt1.Â'7, expression dans laquelle k est une valeur constante, ledit signal Rc2 étant indépendant de Ls et des variations de Lt. Le senseur statique d'horizon comportant application du procédé conforme à l'invention est principalement caractérisé en ce quril comporte essentiellement, associés à un élément thermosensible de mesure 1,1/ un jeu d'élément thermosensibles de compensation soustractive recevant l'image de la Terre et de l'Espace, situés et dimensionnés pour fournir un signal Rcs égal à S.At.Lt - S.A.Ls, et couplés à l'élément de mesure de façon à former un premier canal de mesure dont le signal de sortie Rcl est égal à S.Lt. ( + x ) 1 ,2/ un jeu d'éléments thermosensibles de compensation multiplicative recevant limage de la Terre et de 1'Espace, situés et dimensionnés pour constituer un second canal de mesure dont le signal de sortie Rcm est vagal à S.Lt'.Â1 , expression dans laquelle - A' est une surface élémentaire du jeu d'éléments thermosensibles de compensation multiplicative, - Lt' est la luminance de la Terre rayonnant vers lesdits éléments 1,3/ un amplificateur alternatif à gain variable couplé en entrée:: - d'une part, à la sortie du premier canal de mesure par l'intermédiaire d'un modulateur de découpage piloté sur la fréquence El, - d'autre part, à la sortie du second canal de mesure par l'intermédiaire d'un modulateur de découpage piloté sur la fréquence P2, ledit amplificateur comportant une boucle de contre-réaction constituée par un démodulateur synchrone piloté sur la fréquence F2,et fournissant, par l'intermédiaire d'un démodulateur synchrone piloté sur la fréquence El, un signal de sortie Rc2 égal à k g Lt ( + s) / Lt'bAl 7 ,expression dans laquelle k est le gain de l'amplificateur maintenu à valeur constante. Les autres caractéristiques et les avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description faite, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - figure 1, schématiquement, dans un senseur d'horizon con forme à l'invention les éléments de compensation, les circuits et l'élément de mesure auxquels lesdits éléments de compensation et circuits sont associés, - figure 2, schématiquement, les organes essentiels d'un senseur d'horizon conforme à l'invention. Sur la figure 1, la transition Terre-Espace de l'image de la Terre ou ligne d'horizon est représentée en h . Cette ligne d'horizon coupe un ensemble cm d'éléments thermosensibles plans, l'élément de mesure de surface A étant représenté en 10. Lorsque le dépointage est nul, la surface (hachurée sur la figure) de l'élément de mesure recouverte par l'image de la Terre est égale à At. L'ensemble cm comporte, outre l'élément de mesure 10; - un Jeu d'éléments thermosensibles de compensation soustrac tive composé d'un premier élément 11 situé pour recevoir 11image de l'Espace et dont la surface est égale à A - At, et d'un second élément 11' situé pour astre recouvert totalement par l'image de la Terre et dont la surface est égale à At, - un jeu d'éléments thermosensibles de compensation multipli cative composé d'un premier élément 12 situé pour recevoir l'image de l'Espace et dont la surface est égale à A', et d'un second élé ment 12' situé pour astre totalement recouvert par limage de la Terre et dont la surface est également égale à A'. On a dit précédemment que l'invention se propose dXobtenir une réponse indépendante des variations globales de sensibilité des éléments thermosensibles, compte tenu d'un mode technologique de réalisation. il stagit, en fait, de prendre les dispositions nécessaires pour que les sensibilités des éléments 10, 11 , et 11' soient égales ( et on verra ultérieurement que ces dispositions doivent également ventre prises pour rendre égales les sensibilités des éléments 12 et 12' ). Pratiquement, ces dispositions se rédui sent à réaliser ces trois et deux éléments sur un même support au cours d'une fabrication unique. En conséquence, si - S est la sensibilité des éléments 10, 11 et 11', - LtlO, Ltll et Ltll', la luminance de la Terre rayonnant vers lesdits éléments, - Ls, la luminance des éléments rayonnant vers l'Espace, les réponses sont égales à - S.( Att x). LtlO - SXAOLs, pour l'élément 10, -[S.( A-At ). Ls 7 pour l'élément 11, - S.At0Ltll' - SoAt.Ls, pour l'élément 11'. Si l'on considère uniquement le signal résultant du mode de connexion des éléments 11 et 111 ; la somme des réponses indi viduelles est égale à S.ÂtaLtll1 - S.At.Ls + t-S. (A-At) .Ls7, soit SAtoLtll' - S.A.Ls. Le signal résultant de la somme des réponses des éléments 11 et 11' est retranché de la réponse de l'élément 10 pour former un premier signal corrigé Rcl qui est égal à S. (At # x). Lt10 - S.A.Ls - (S.At.Lt11' - S.A.Ls ), soit S.At.LtlO + S.(+ w). LtlO - S.At.Lt11'. On remarquera que le signal dû à la luminance Ls est disparu. Dans l'hypothèse - qui peut astre aisément admise dans le cas consi déré - d'avoir LtlO = Ltll' = Lt, le signal Rcl est nul pour un dé pointage nul et proportionnel à la luminance Lt pour un dépointage non nul, puisqu'il est alors égal à S.Lt. ( + s). Quant au signal Rcm, il est formé par différence entre les réponses des éléments 12 et 12t. Si l'on considère que - S' est la sensibilité des éléments 12 et 12', - Lt' est la luminance de la Terre rayonnant vers l'élément 12', - Ls étant la luminance des éléments rayonnant vers l'Espace, les réponses sont égales à - ( - A.Ls.S), pour l'élément 12, - A'.Lt'.S' - A'.Ls.S' ,pour l'élément 12' Le signal de différence Rcm est alors égal à A'.Lt'.S'. Les signaux Rcl et Rcm (figure 1) sont transmis au circuit 13 qui est un amplificateur alternatif à gain variable, et, de ce fait, ils sont préalablement découpés, - le premier, par l'intermédiaire d'un modulateur de découpage 14 piloté sur la fréquence El, - le second, par l'intermédiaire d'un modulateur de découpage 14' pilo té sur la fréquence F2 ( les signaux de fréquences F1 et F2 sont fournis par un circuit de pilotage cp constitué par deux généra teurs 16 et 16' synchronisés par une base de temps 17) A la sortie de l'amplificateur, les signaux sont démodulés dans les démodulateurs synchrones 15 et 15' pilotés, - le premier, par le signal de fréquence fl , - le second, par le signal de fréquence B2. Le démodulateur synchrone 15' est monté dans la boucle de contre-réaction de l'amplificateur 13, de sorte que le gain dudit amplificateur est contrôle par le signal k'Rcm, que le signal de sortie est égal à k"Rcl / k'Rcm, et que toute variation du coefficient k" se répercutera de la meme manière sur k', ce qui rend la tension amplifiée indépendante de la valeur du coefficient d'amplification.Si l'on considère k"/k' = k, le signal Rc2 est égal à k tS.Lt.( + x) / S'.Lt'.Â'j où k est une constante, et la réponse est nulle pour un dépointage nul, et, pour un dépointage non nul, elle est indépendante de la luminance Ls, des variations de luminance de la Terre, du gain de 1 'amplifica- teur. La figure 2 représente les éléments essentiels d'un senseur d'horizon statique conforme à l'invention, c'e3t-à-dire : - une optique 20 (lentille ou miroir), - un filtre interf6- rentiel 21 qui limite les rayonnements échangés à la fraction contenue dans la bande spectrale utilisée, l'image de la terre représentie par la zone hachurée t se formant au niveau de quatre ensembles d'éléments thermosensibles plans diamétralement opposés deux par deux cml et cml', cm2 et cm2'; chaque ensemble est identique à celui représenté figure 1 sous la référence cm. Les signaux Rcl et Rcm, formés de la manière précédemment décrite à partir des éléments thermosensibles, sont appliqués--our chaque ensemble - à un circuit de traitement (ctl, ctl', ct2, ct2') identique à celui représenté figure 1 sous la référence ot. Le circuit de pilotage cp, qui fournit les signaux de découpage El et F2, est commun pour les quatre circuits de traitement. Les signaux de sortie (Rc2 de la figure 1) des circuits de traitement correspondant à deux ensembles d'éléments thermosensibles diamétralement opposés sont, ainsi qu'il est connu, soustraits l'un de l'autre (circuits sI et sII). On dispose ainsi de deux voies de mesure dont les signaux de sortie dI et dli représentent les dépointages selon deux axes perpendiculaires0 Il est bien entendu que la description qui précède a été fai- te à titre d'exemple non limitatif et que des variantes peuvent titre envisagées sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention. On notera, en particulier, que - par le choix d'éléments thermosensibles de sensibilités égales pour constituer un ensemble complet - il est possible d'obtenir un signal Rc2 égal à k ÈLt. ( t ) / LttoAt2* On notera également que le senseur peut être du type utilisant, pour la mesure de dépointage, deux ensembles d'éléments thermosensibles qui ne sont pas diamétralement opposés; dans ce cas, l'invention permet dtéliminer l'erreur " de couplage des voies" due à la non-uniformité des luminances de la Terre rayonnant vers les éléments. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de correction de la réponse d'un senseur d'horizon statique embarqué à bord d'un satellite stabilisé, du type comportant une optique de formation de l'image de la Terre, la ligne de transition Terre-Espace de ladite image traversant la surface d'au moins un élément plan thermosensible de mesure centré sur l'image d'un axe de la Terre pris comme référence pour la mesure du déplacement du satellite ou "dépointage" par rapport à la géocentrique, ledit élément de mesure fournissant un signal Rm égal à S.(At # x ).Lt - S.A.Ls, expression dans laquelle :: - S est la sensibilité de l'élément de mesure, - À est la surface totale dudit élément de mesure, - At est la surface de ltélément de mesure recouverte par l'image de la Terre pour un dépointage nul, - x exprime le dépointage par une valeur de surface d'élément de mesure s'ajoutant à ou se retranchant de At, - Lt est la luminance de la Terre rayonnant vers ltélément, - Ls est la luminance de l'élément rayonnant vers l'Espace, ledit procédé étant principalement caractérisé en ce qu'il consiste : 1,1/ à former un signal de compensation soustractive Rcs égal à S.At.Lt - S.Â0Ls, 1,2/ à retrancher le signal Rcs du signal Rm de façon à obtenir un premier signal corrigé Rcl égal à S.Lt. î,3/ à former un signal de compensation multiplicative Rcm égal à S.Lt.A expression dans laquelle :: - A' représente une valeur quelconque de surface thermosensible, - Lt' représente une valeur de luminance de la Terre qui subit les mêmes variations relatives que Lt, 1,4/ à diviser le premier signal corrigé Rcl par le signal Rcm de façon à obtenir un second signal corrigé Rc2 égal à t k tLt ( + x) / Lt'.A' 7, expression dans laquelle k est une valeur constante, ledit signal Rc2 étant indépendant de Ls et des variations de Lt. 2.- Senseur d'horizon statique comportant application du proeédé selon la revendication 1-, principalement caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement, associés à un élément thermosensible de mesure 2,1/ un Jeu éléments thermosensibles de compensation soustractive recevant l'image de la Terre et de l'Espace, situés et dimensionnés pour fournir un signal Rcs égal à SoAtLt - S.A.Ls, et couplés à l'élément de mesure de façon à former un premier canal de mesure dont le signal de sortie Rcl est égal à S.Lt. ( + i), 2,2/ un jeu d'éléments thermosensibles de compensation multiplicative recevant l'image de la Terre et de l'Espace, situés et dimensionnés pour constituer un second canal de mesure dont le signal de sortie Rcm est égal à S.Lt'.Â' , expression dans laquelle - A' est une surface élémentaire du jeu d'éléments thermosensibles de compensation multiplicative, - Lt! est la luminance de la Terre rayonnant vers lesdits élé menti, 2s3/ un amplificateur alternatif à gain variable couplé en entrée:: - d'une part, à la sortie de la première voie de mesure par l'intermédiaire d'un modulateur de découpage piloté sur la fréquence Fl, - d'autre part, à la sortie de la seconde voie de mesure par l'intermédiaire d'un modulateur de découpage piloté sur la fréquen- ce F2, ledit amplificateur comportant une boucle de contre-rdaction constituée par un démodulateur synchrone piloté sur la fréquence F2,et fournissant, par 1 'intermédiaire d'un démodulateur synchrone piloté sur la fréquence El, un signal de sortie Rc2 égal à k g Lt ( t i) / Lt' 0À'7, expression dans laquelle k est le gain de l'amplificateur maintenu à valeur constante. 3.- Senseur horizon statique selon la revendication 2- comportant application du procédé selon la revendication 1- caractérisé en ce que le Jeu éléments thermosensibles de compensation sous- tractive comporte deux éléments - un premier élément recouvert en totalité par l'image de la Terre, de surface égale à At, et fournissant un signal Rts égal à S.Àt.Lt - S0Àt.Ls, - un second élément situé en totalité en dehors de l'image de la Terre, de surface égale à À-At, et fournissant un signal Res égal à - S.Ls (A-At), lesdits premier et second éléments dudit Jeu d'éléments thermosensibles de compensation soustractive étant couplés de façon que les signaux Rts et Res qu'ils fournissent se retranchent pour former le signal Rcs. 4 - Senseur d'horizon statique selon la revendication 2 comportant application du procédé selon la revendication 1 - caractérisé en ce que le Jeu d'éléments thermosensibles de compensation multiplicative comporte deux éléments - un premier élément recouvert en totalité par l'image de la Terre,de surface égale à A', et fournissant un signal Rtm égal à S.À'.Lt' - S0À'0Ls, - un second élément situé en totalité en dehors de l'image de la Terre, de surface égale à A', et fournissant un signal Rem égal b S.Â'.Ls, lesdits premier et second éléments dudit Jeu d'éléments thermosensibles de compensation multiplicative étant couplés de façon que les signaux Rtm et Rem outils fournissent se retranchent pour former le signal de sortie Rcm du second canal de mesure. 5 - Senseur d'horizon statique selon les revendications 2-, 3-, et 4- comportant application du procédé selon la revendication 1caractérisé en ce que les éléments des Jeui d'éléments thermosensibles de compensation soustractive et multiplicative sont centrès sur l'image de l'axe de la Terre pris comme référence pour la mesure du dépointage, les éléments du Jeu d'éléments thermosensibles de compensation soustractive étant situés à proximité et de part et d'autre, respectivement, de l'élément thermosensible de mesure auquel ils sont associés. 6 - Senseur d'horizon statique selon les revendications 2-, 3-, 4-, et 5- comportant application du procédé selon la revendication 1- caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement - deux chaines de mesure 1 et 1' fournissant respectivement les signaux Rcl et Rc21' comportant chacune . - un élément thermosensible de mesure, - un Jeu d'éléments thermosensibles de compensation soustracti- ve, - un Jeu d'éléments thermosensibles de compensation multiplicative, - 2m amplificateur alternatif à gain variable associé à deux modulateurs de découpage et deux démodulateurs synchrones, les deux éléments thermosensibles de mesure des deux channes de mesure 1 et 1' étant situés de façon à entre diamétralement opposés sur l'image de l'axe de la Terre pris comme référence pour la mesure du dépointage, - un soustracteur dont les deux entrées sont respectivement couplées aux sorties des deux channes de mesure 1 et 1'. 7.- Senseur horizon statique selon les revendications 2-, 3-, 4-, 5-, et 6-, comportant application du procédé selon la revendication 1-, caractérisé en ce qutil comporte essentiellement - deux ensembles I et Il de chacun deux channes de mesure 1 et 1' pour l'ensemble I, 2 et 2' pour l'ensemble II, les deux éléments thermosensibles de mesure de l'ensemble I étant situés sur l'image d'un axe de la Terre pris comme première référence pour la mesure du dépointage, et les deux éléments thermosensibles de l'ensemble II étant situés sur l'image de l'axe de la Terre pris comme seconde référence pour la mesure du dépointage et qui est perpendiculaire à l'axe pris comme premier référence. - deux soustracteurs, le premier affecté à l'ensemble I dont les deux entrées sont respectivement couplées aux sorties des channes 1 et 1' ,le second affecté à ensemble II dont les deux entrées sont respectivement couplées aux sorties des haines 2 et 2'.