Brevet FR2353043A1 — publié le 19771223

La présente invention est relative à un senseur d'horizon perfectionné pour satellite artificiel. Les senseurs d'horizon sont utilisés pour déterminer l'attitude des satellites artificiels à bord desquels ils sont montés, cette attitude étant déterminée par visée d'un astre émetteur de rayonnement infrarouge, de diamètre apparent non-nul. L'astre visé peut Entre la Terre et, dans un senseur d'horizon terrestre, l'image thermique de la Terre est formée dans une surface assImilable à un plan pour évaluer le dépointage éventuel de l'axe z du satellite par exemple, lequel axe z coincide avec l'axe de visée et doit titre maintenu dirigé vers le centre de la Terre. Le dépointage est évalué en repérant la position de l'ima- ge par rapport aux axes i et y S délimités dans la surface de formation de ladite image, qui constituent - avec l'are z - un système à coordonnées rectangulaires dans l'espace à partir duquel on peut situer les axes Nord-Sud et Est-Ouest de la Terre.Généralement, la stabilisation du satellite se fait selon trois axes par visée auxiliaire du soleil par exemple, ce qui permet de maintenir confondus les axes x et y avec les axes Nord-Sud et Bst-Ouest de la Terre. La position de l'image est repérée à l'aide d'éléments thermosensibles dont les surfaces sont traversées par la ligne de transition Terre - espace ( ligne d'horizon) de l'image formée. Différents types de senseurs d'horizon terrestre ont été usque-là proposés, lesquels ont en commun de comporter, dans le plan de formation de l'image de la Terre, quatre éléments thermosensibles de mesure identiques, alignés - par deux - suivant deux directions habituellement perpendiculaires qui peuvent Store celles des axes x et y , et disposés symétriquement par rapport à l'origine du système x , y , z de sorte que leurs surfaces sont traversées par la ligne dthorison au mEme niveau pour un dépointage nul. Les signaux électriques issus de deux éléments de mesure alignés suivant la mSme directioh sont combinés en opposition et le signal résultant forme la réponse du senseur pour la voie de mesure ainsi constituée.Si le rayonnement de la Terre est uniforme, la réponse est en principe nulle pour un dépointage nul et proportionnelle à dp pour un dépointage dp. Pratiquement, il y a de nombreuses causes d'erreur pour un senseur qui ne comprend que des éléments thermosensibles de mesure ; ce sont, entre autres - les variations locales ( saisonnires) de luminance de la Terre, - le rayonnement des éléments vers l'espacez I1 est connu, pour compenser au premier ordre les variations locales de luminance de la Terre, d'associer - aux deux dléments de mesure d'une voie de mesure - deux éléments thermosensibles de compensation dite "soustractive" affectés chacun à un élément de mesure, dont la surface est recouverte en totalité par l'image de la Terre, l'aire de cette surface étant égale à l'aire de la plage d'un élément de mesure qui est irradiée par l'image de la Terre à dépointage nul. 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 un élément de mesure, du signal fourni par l'élément de compensation soustractive correspondant. En fait, la compensation n'eut pas parfaite car non seulement les luminances de la Terre ne peuvent pas Store estimées égales pour un élément de mesure et l'élément de compensation soustractive associé, mais encore, ladite compensation ne tient pas compte des variations locales de ladite luminance, notamment suivant l'axe Nord-Sud. Il a été également proposé, pour compenser le rayonnement des éléments vers l'espace, d'associer, à chaque ensemble élément de mesure - élément de compensation soustractive, un élément thermosensible de compensation dite "d'espace froid" dont la surface, conjuguée de l'Espace, a une aire égale à l'aire de la plage de l'élément de mesure qui, à dépointage nul, n'est pas irradiée par l'image de la Terre. les éléments de mesure, de compensation soustractive, de compensation d'espace froid, qui sont associés dans un tel senseur, sont connectés de façon qu'à dépointage nul, le bilan des signaux résultant de l'émission de rayonnement vers l'Espace soit nul; malgré cela, on est ramené au cas précédent d'erreurs de zéro dues aux variations locales de la luminance de la Terre. L'invention a pour objet un senseur d'horizon terrestre, pour satellite artificiel, qui est dit "surcompensé" pour tenir compte des variations locales de la luminance, notamment suivant l'axe Nori-Sud. Le senseur d'horizon terrestre surcompensé conforme à l'invention est du type évoqué ci-dessus et comporte des éléments de compensation soustractive t il est principalement caractérisé en ce que, pour chaque groupe de deux éléments thermosensibles de mesure associés chacun à au moins un élément de compensation soustractive, et disposés de part et d'autre de l'axe y de l'ima- ge de la Terre supposé confondu avec l'axe Est-Ouest de cette dernière, l'aire At de la plage d'un élément de mesure qui est irradiée à dépointage nul par l'image de la Terre et l'aire Ac de l'élément de compensation soustractive associé sent choisies telles que At / Ac = K = ( 1 - d) / (1' - d), où - 1 et l' définissent, sur l'image, les positions gdo- graphiques des centres des éléments de compensation soustractive et de mesure, respectivement, mesurées à partir de l'axe y, dans la direction de l'axe x - d est une constante, fonction de la forme de la cour- be E = f (H) donnant, au niveau de l'image, les valeurs E d'éclairement en fonction de la distance H à l'axe t , dans la direction de l'axe x D'autres caractéristiques apparaîtront dans la description qui siit ainsi que le mécanisme de la surcompensation apportée par l'invention, cette description étant faite en se reportant aux dessins annexés qui représentent - figure 1, schématiquement, l'image de la Terre, dans un senseur, avec les surfaces d'éléments thermosensibles de mesure et compensation soustractive - disposés sur l'axe x confondu avec l'axe Nord-Sud de la Terre, - figure 2, un dessin analogue à celai de la figure 1 dans le cas d'un senseur comportant des éléments de compensation d'espace froid, - figure 3, les courbes E = f (H), à des époques déterminées de l'année, - figure 4, le circuit électronique associé à un ensemble élément de mesure - élément de compensation soustractive- élément de compensation d'espace froid, dans un cas particulier de senseur surcompensé conformément à l'invention, - figure 5, un dessin assimilable à celui de la figure I permettant de mettre en évidence les conditions de fonctionnement d'un senseur surcompensé conformément à l'invention, en cas de dépointage selon l'axe Est-Ouest. Sur la figure 1, l'image de la Terre est délimitée par l'image de la transition Terre-Espace ou ligne d'horizon hz. Les axes x et y sont figurés, confondus avec les axes Nord-Sud ( N -S) et Est-Quest ( O - E) , respectivement. Dans le plan de formation de l'image de la Terre, sont représentées les surfaces sensibles des deux éléments de mesure ml et m2 qui constituent une voie de mesure du déplacement éventuel de l'image suivant l'axe N - S et sont associés aux deux éléments de compensation soustractive c1 et c2 .Sur le figure 2, en retrouve les mêmes éléments affectés des memes symboles, mais le senseur schématisé comporte, en plus, deux éléments de compensation d'espace froid el et e2 Pour les deux figures, l'image de la ferre est représentée à dépointage nul; lersqu'il s'agit d'un senseur classique, cela signifie alors que Ac1 = Âtl, expression dans laquelle Ac1 est l'aire de la surface sensible de l'élément c1 , At1 est l'aire de la plage irradiée de la surface sensible de l'élément de mesure, étant entendu par eilleurs que Ac1 est alors égal à (Am1 - At1), expression dans laquelle Ac1 est l'aire de la surface de l'élé- ment el conjuguée de l'espace et Ail est l'aire de la surface sensible de l'élément m1, et que, par construction, Am1 = Am2, Ac1 = Ac2, Ae1 = Ae2 (Am2, Ac2, Ae2 sont les expresions équivalentes, pour les éléments m2, c2 , e2 des expressions Am1, Ac1, Ac1). Si l'on considère un seal ensemble m1, ol (et el), par exemple, les interconnexions des éléments thermosensibles sont telles que la tension de réponse qu'ils fournissent est - pour le dispositif de la figure 1, égale à S [ (Atl.Et1 - Ac1.Ec1) - R (At1 + (Am1-At1) - Ac1)] , où S est la sensibilité au flux des éléments qui est admise uniforme, Et1 et Ec1 étant les éclairements moyens au niveau de la plage irradiée de m1 et de la surface sensible de cl, et R le rayonnement des éléments vers l'Espace, - pour le dispositif de la figure 2, égale à S [ (At1.Et1 - Ac1.Ec1) - R (At1 + (Am1 - At1) - Ac1 - Ae1)]. On remarquera que, dans cette dernière expression, le terme en R s'annule. Par conséquent, dans ce qui suit, il sera raisonné sur une tension de réponse V égale à S ( At.Et - Ac.Ec) tant pour le dispositif de la figure 1 .Si l'on néglige le bilan non nul du rayonnement des éléments vers l'espace que pour celui de la figure 2, expression dans laquelle At, Ac, Et, Ec sont les équivalents de Âtl, Âcl, Et1, Ecl. Pour expliquer le fonctionnement du dispositif objet de l'invention, il faut remarquer - les résultats de mesures faites sur le rayonnement d'émission de la Terre dans les bandes spectrales utilisées par les senseurs d'attitude montrent que les variations liées au mouvement diurne, c' est-à-dire le long des parallèles, sont très faibles, pratiquement négli- geables ; il existe des variations saisonnières importantes, introduisant des différences notables le long des méridiens; sur ce canevas général se superposent de petites variations locales liées aux phénomènes météorologiques de la trophosphère;; - de ces résultats, il apparaît qu'un bon modèle représentatif de première approximation de la distribution des défauts d'uniformité de la Terre est représenté par un éclairement E qui ne dépend que de la latitude terrestre ou de la distance angulaire H autour de l'axe y de la forme : E (H) = Eo [ 1 + C ( aH + bH3 + CH5 + .... où les coefficients a, b, c sont constants mais où le coefficient C subit une variation saisonnière, maximum positif en Juillet, minimum négatif en Janvier, il devient nul en Avril et en Octobre. - On a représenté par la figure 3 des courbes E = f (H). La courbe I, en trait plein épais, correspond à la situation en Juillet, la courbe III à la situation où C est nul (Avril, Octobre) la courbe II à une situation intermédiaire. Dans ce qui suit, le raisonnement est pratiquement basé sur la courbe I. Les distances H sont portées en abscisse, les éclairements E, sont portés en ordonnées. La distance Rr correspond au rayon du disque image de la Terre. Les distancer I et 1' mesurées à partir de l'équateur (Eq), dans la direction de l'axe NS , sont définies par les positions géographiques À et B des centres des surfaces irradiées des éléments de compensation soustractive et de mesure (cl et ml, sur les figures 1 et 2), respectivement; lesdites positions définissent, sur la courbe III, les points C" et D", sur la courbe II, les points C' et D', et sur la courbe I, les points C et D qui correspondent aux delaire- ment s Ec et Et . La courbe E = f (R) variant d'une manière saisonnière par homothétie, les droites joignant, d'une part C et D, d'autre part, C' et D' convergent vers le mOme point 0' à distance d de l'Equateur et définissent, avec l'axe de symétrie des courbes qui se confondnt avec la courbe III, les angles et &alpha;', respectivement. En posant : Et - Eo = d Et Ec - Eo w d Ec, On peut écrire d Et = h'tg Oc d Ec = h tg dEc/dEt = htg a / h'tg = h/h' = k Le rapport k est indépendant de ; le coefficient est représentatif de la saison; le rapport k est donc indépendant de la saison. Par ailleurs , h = 1 - d et h' = 1' - d , d'où d Ec/ d Et = k = 1 - d / 1' - d d étant une constante fonction de la forme de la courbe E = f(X). oear ailleurs, on a établi précédemment que la tension de réponse V ( ou tension de réponse partielle puisqu'on ne considère qu'un seul ensemble d'éléments thermosensibles) est égal à V = S (At.Et - Ac.Ec), En remplaçant Et par ( d Et + Eo) et Ec par ( d Ec + Bo), l'ex- pression de V devient V = S Eo ( At - Ac) + S ( At.dEt - Ac.dEc). Cette réponse peut être rendue constante à dépointage nul en faisant en sorte d'annuler le second terme du second membre de son expression ; soit : At.dEt = Ac.dEc, ce qui conduit à At/Ac = dEc/dEt = k = 1 - d / 1' - d. Dans un senseur d'horizon terrestre surcompensé conformément à l'invention, les aires des éléments de mesure et de compensation soustractive, disposés de part et d'autre de l'axe image représentatif de l'axe Est - Ouest de la Terre, sont choisies telles qu'à dépointage nul, l'aire At de la plage irradiée de la surface sensible de l'élément de mesure et l'aire Ac de la surface sensible de l'élément de compensation soustractive sont dans un rapport At / Ac = 1 - d / l' - d, où 1 et 1' définissent les positions géographiques des centres des éléments de compensation soustractive et de mesure, d est une constante fonction de la forme de la courbe E = f(H). On a dit précédemment qne la tension de réponse partielle V, dans un senseur classique, est de la forme : V = S (At.Et - Ac.Ec) La surcompensation apportée, qui rend cette tension de réponse égale à V = S En (At - Ac), conduit à une réponse indépendante de la différence titre les éclairements Et et Ec. On a dit également que les tensions de réponse partielle de deux ensembles d'éléments, disposés comme il est représenté figures 1 et 2, sont combinées en opposition pour conduire en principe à une tension de réponse Vv de la voie de mesure, que ces deux ensembles constituent, qui est nulle à dépointage nul. Dans un senseur classique t Vv =S (At1.Et1 - Ac1.Ec1) - S (At2.Et2 - Ac2.Ec2). En fait la tension de réponse Yv ne peut être nulle à dépointage nul ( soit lorsque Ati = At2) que si Et1 = Ec1 et Et2 = 3c2 , ce qui n'est pas le cas, on ;'a vu dans la description relative à la figure 3. Dans un senseur surcompensé conformément à l'invention, la tension de réponse Vv est nulle à dépointage nul, que l'on considère le cas de la figure 1, où Vv = S [Ec(At1-Ac1)-R(Am1-Ac1)] - S [Ec(At2-Ac2)-R(Am2-Ac2)] puisque At1 = At2 et Acl = Ac2, ou le cas de la figure 2, oh Vv = S [Ec (At1 - Ac1) - R (Am1 - Ac1 - Ae1)]- S [Ec (At2 - Ac2) - R (Am2 - Ac2 - Ae2)], puisque At1 = At2, Ac1 = Ac2, Am1 = Am2 et Ael = Ae2. Toutefois, le principe d'une surcompensation, telle qu'elle vient entre expose, supprime certains des avantages vers lesquels tendaient les dispositifs classiques, à savoir, l'obtention d'une tension de réponse partielle V nulle à dd- pointage nul. Cette particularité permet en effet - d'amplifier indépendamment les tensions de réponse partielle de chaque ensemble d'éléments thermosensibles, - d'obtenir une réponse correcte à partir d'un seul ensemble d'éléments thermosensibles si le second ensemble de la voie de mesure est en panne. Si l'on reprend le cas de la figure 2, la tension de réponse partielle est, dans un senseur surcompensé conformément à l'invention, de la forme V = S E0 (At - Ac) - R (Am - Ac - Ae). On voit que : - pour supprimer la contribution à V du rayonnement R, puisque At/Ac = k, il iaut que de - Am - At/k - le premier nombre de l'expression peut être exprimé par S Ec Ac (k - 1), il est possible de contrebalancer la tension ainsi produite en ajoutant, à la réponse partielle, un signal de recentrage de valeur opposée à S En Ac (k - 1) donc proportionnel à E0 Ac (k. - 1) , donc constant. La figure 4 représente le circuit électronique associé à un ensemble élément de mesure - élément de compensation sous- tractive - élément de compensation d'espace froid tel que schématisé par ml, cl, el, par exemple, figure 2, lesdits éléments fournissant respectivement les signaux sa , @@ et se. Comme il est classique, les signaux sc et ee sont additionnés ( additionneur A ), leur somas est soustraite du signal @@ (soustracteur S); le signal de sortie du soustracteur est découpé (modulateur M), amplifié (amplificateur alternatif AA), démodulé (démodulateur DM), l'ensemble de cette chaîne présentant un gain G, puis enfin transféré à l'amplificateur continu AC pour constituer le signal de réponse partielle sr.Conformément à l'invention, l'amplificateur AC possède une seconde entrée à laquelle est appliqué un signal de recentrage -G [ S a E0 Ac ( k - 1) ] qui permet d'annuler le signal sr lorsque la plage irradiée de la surface sensible de l'élément de mesure est égale à (Ac.k), soit lorsque le dépointage est nul. L'exposé qui précède a été basé sur l'hypothèse d'une distribution non-linéaire des luminances de la Terre. On a dit dans cet exposé que l'hypothèse d'une distribution linéaire avait été retenue pour les premiers satellites lancés. En supposant que l'utilisateur désire se baser sur cette dernière hypothèse, il est aisé de conclure, à l'examen de la figure 3, que l'expression At/Ac = k, 1 - d / 1' - d se réduit alors à At/Ac = k = 1/1', la constante d devenant nulle puisque la courbe E = f (E) devient alors une droite passant par le point O de ladite figure. Enfin on a représenté figure 5 l'image de la Terre dans un senseur de type connu, comportant quatre éléments de mesure il, m2, m3, m4 respectivement associés à quatre éléments de compensation soustractive cl, c2, c3, c4 disposés sur deux axes perpendiculaires à 450 des axes NS et OE. On sait que, dans ce type de senseur, les dépointages sont évalués par traitement des signaux fournis par les combinaisons suivantes des réponses partielles des ensembles d'éléments - pour la voie Nord-Sud [ (1) + (2)] - [(3) + (4)], - pour la voie Est-Ouest : [(1) + (3)] - [ (2) + (4)] On a schématisé sur la figure un dépointage selon l'axe Est Ouest pour pouvoir estimer l'effet de ce dépointage sur la réponse de la voie Nord-Sud.Soit @ l'aire de la plage de la surface sensible qui, pour les ensembles 1 et 3, doit Qtre retranchée de l'aire At = k.Ac de la plage de l'élément de mesure irradiée à dépointage nul, et, pour les ensembles 2 et 4, doit être ajoutée à ladite aire k.Ac ( les plages d'aire @ sont hachurées sur la figure). Les tensions de réponse partielle sont - pour les ensembles 1 et 3, égales à V = 9 En (k.Ac - # - Ac) - pour les ensembles 2 et 4, égales à V = E Ec (k.Ac + # - Ac) Compte tenu de la combinaison des signaux précédemment exprimés pour la voie Nord-Sud, les décalages dea réponses partielles se compensent mutuellement de sorte que la réponse de la voie de mesure considérée reste nulle à dépointage nul, selon l'axe N0S. Il est bien entendu que la description qui précède a été faite uniquement à titre d'exemple non limitatif et que toute surcompensation faite, dans la réponse d'un senseur, par modification de rapports d'aires entre les surfaces sensibles des éléments de détection inclus dans les voies de mesure qui fournissent cette réponse, pour contrebalancer l'effet des variations locales de luminance, entre automatiquement dans le cadre de l'invention. -REVENDICATIONS 1.- Senseur d'horizon perfectionné pour satellite ar artificiel - du type comportant, dans une surface, assimilable à un plan, de formation de l'image thermique de la Terre, les surface sensibles, de même aire égale à Am, d'éléments thermosensibles de mesure pour évaluer le dépointage de l'axe de visée z , par rapport au centre de la verre, par repérage de la position de ladite image par rapport aux axes x et t de ladite surface for ment avec l'axe z un système à coordonnées rectangulaires dans l'espace pour lequel les axes x et y confondus avec les directions Nord-Sud et Est-Ouest, respectivement, lesdits éléments de mesure, d'une part, étant - par deux - alignés et disposés symétriquement par rapport à 11 origine du système x, y, z, de sorte que les plages de leurs surfaces sensibles irradiées à dépointage nul sont d'aires égales, d'autre part, étant associés chacun à au moins un élément thermosensible de compensation dite "soustractive" dont la surface sensible, d'aire Ac , est recouverte en totalité par l'image de la terre, les éléments de chaque ensemble élément de mesure - élément de compensation soustractive étant connectés électriquement pour fournir rme réponse partielle égale à la ré- ponse de l'élément de mesure moins la réponse de l'élément de compensation soustractive - principalement caractérisé en ce que, pour chaque groupe de deux ensembles élément de mesure - élément de compensation souatractive qui sont disposés de part et d'autre de l'axe y ,l'aire At de la plage d'un élément de mesure qui est irradiée à dépointage nul et l'aire Ac de la surface sensible de l'élément de compensation soustractive associé sont telles que:: At / Ac = k = 1 - d / 1' - d , où - 1 et 1' définissent, sur l'image, les positions géographiques des centres des éléments de compensation soustractive et de mesure, respectivement, mesurées à partir de l'axe , dans la direction de l'axe x - o est une constante, fonction de la forme de la courbe E = = f (H) donnant, au niveau de l'image, les valeurs s dtJelai- rement en fonction de la distance H à l'axe L , dans la direction de l'axe x 2.- Senseur d'horizon perfectionné selon la revendica- tion 1 - du type comportant, associé à chaque ensemble élément de mesure - élément de compensation soustractive, un élément de compensation dit "d'espace froid" dont la surface sensible, d'aire Ae , est conjuguée de l'espace, les éléments de chaque nouvel ensemble ainsi constitué étant connectés électriquement pour fournir une réponse partielle égale à la réponse de l'élé- ment de mesure moins la somme des réponses des éléments de com sensation associés - caractérisé en ce que l'aire Ae de la surface sensible dudit élément de compensation d'espace froid est égale à Am - At/k , des dispositions étant prises pour soustraire de la réponse partielle de l'ensemble, un signal constant proportionnel à Eo.Ac ( k - 1), En, éclairement de la Terre au niveau de l'Equateur, étant invariant, ladite réponse partielle étant alors nulle à dépointage nul. 34- Senseur perfectionné selon l'une des revendications 1 et 2 - basé sur l'hypothèse d'une distribution linéaire des luminances locales de la Terre qui assimile la courbe E = f(H) b une droite - caractérisé en ce que les aires At et Le sont dans un rapport égal à 1/1'. 4.- Senseur d'horizon selon la revendication 2 , dans lequel les circuits associés à chaque ensemble élément de mesure - élément de compensation soustractive - élément de compensation d'espace froid comportent, entre autres, un amplificateur de sortie, lequel reçoit, en entrée, un signal fonction de am - (sc + se) , où sm, sc, se sont les signaux respectivement fournis par lesdits éléments de mesure, de compensation sous- tractive, de compensation d'espace froid - caractérisé en ce que ledit amplificateur comporte une entrée auxiliaire par laquelle lui est appliqué le signal constant proportionnel à Bo*Ac (E - 1).