Brevet FR2533883A1 — publié le 19840406

SENSEUR D'HORIZON TERRESTRE UTILISANT DES PHOTODETECTEURS A TRANSFERT DE CHARGES La présente invention concerne un- senseur d'horizon destiné au contrôle d'attitude des véhicules spatiaux capable de re .péter la transition Terre-espace au moyen d'éléments photosensibles fonctionnant dans la bande visible du spectre. L'invention est plus particulierement, mais non exclusivement, applicable au contrôle des variations d'attitude par rapport à la Terre d'un satellite artificiel géostationnaire, en utilisant le rayonnement visible en provenance de celle-ci. La mission de la plupart des satellites artificiels implique des échanges d'informations avec des émetteurs-récepteurs placés au sol. A cette fin, il est nécessaire de maintenir le rayonnement des antennes en direction de la Terre, et ce d'une manière d'autant plus précise que l'antenne est plus directive et que le lobe d'émission (ou de réception) est plus étroit. Avec les progrès des télécommunications, la précision de pointé-des antennes devient de plus en plus sévère et il est alors nécessaire de contrôler et d'asservir de plus en plus précisément l'attitude du satellite selon ses trois axes (roulis, tangage et lacet) par rapport à la Terre. On peut en effet concevoir un satellite comme un parallélépipède rectangle (sans toutefois que cette forme soit une obligation) dont l'un des axes est maintenu parallèlement à la ligne des pôles, et un des deux autres axes constamment orienté vers un point précis tel que le centre de la Terre. Une des faces normales à ce dernier axe peut alors supporter des antennes dont les directions de rayonnement sont parfaitement déterminées, alors que généralement de grands panneaux, munis de cellules solaires et déployables apres le lancement, sont orientés constamment vers le. Soleil. Les directions de référence, pour le maintien de l'attitude du satellite ou pour l'orientation des panneaux solaires, sont données par divers senseurs, dits d'horizon pour les premiers car ils repèrent la transition au bord du disque terrestre, et dits solaires pour les seconds car ils repèrent le centre du Soleil. L'attitude des satellites est stabilisée autour de cette direction de référence privilégiée que constitue l'axe des pôles grâce généralement à un volant d'inertie, et les corrections de position pour les autres directions de référence orthogonales entre elles et à la première sont effectuées par des dispositifs à éjection utilisant le principe de l'action et de la réaction ; il est alors possible de maintenir l'attitude des satellites à quelques centièmes de degré près. Selon l'art antérieur, les senseurs d'horizon, seuls concernés dans le présent memoire, utilisent généralement des détecteurs sensibles dans l'infrarouge, tels que les thermopiles ou les bolomètres. Un exemple de senseur connu est formé par quatre détecteurs montés en croix ; ainsi, une paire de détecteurs diamétralement opposés constitue une direction sensible et toute modification de l'attitude du satellite selon cette direction provoque une augmentation de la surface recouverte par l'image de la Terre pour un détecteur, et une diminution pour l'autre détecteur, alors que pour un alignement parfait du satellite, les surfaces recouvertes sont égales. D'une façon générale, les signaux électriques des deux détecteurs sont combinés en opposition, et après amplification, le signal résultant est appliqué à un correcteur d'attitude. Pour un rayonnement de la Terre uniforme, avec des détecteurs de caractéristiques identiques, le signal est en principe nul pour un dépointage nul. En fait, les variations de luminance de la Terre sont telles qu'il est nécessaire de les compenser, par exemple par association pour chaque paire de détecteurs de deux autres éléments photosensibles dont la surface est entièrement recouverte par l'image de la Terre. Cette compensation est décrite par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique, de numéro 3,486,024, déposé au nom du cessionnaire BARNES Engineering Company. Un autre problème important provient de la présence d'une bande nuageuse autour de la Terre et de la détermination d'un "faux horizon". En effet, lorsque la Terre est illuminée par le Soleil, le senseur monté sur le satellite reçoit des radiations qui proviennent essentiellement : a) de l'émission propre de la Terre, b) de radiations réfléchies par la Terre et également par les nuages, ce qui peut provoquer des erreurs de détection. Ainsi, le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3,118,063 déposé également au nom du cessionnaire BARNES préconise une bande spectrale particulière, d'infrarouge lointain, d'une bande d'émission d'un composant de l'atmosphère telle que par exemple la bande d'émission du gaz carbonique C02 autour de 15/um, de manière à rendre aveugle le senseur aux rayonnements réfléchis par les nuages. L'utilisation des bandes spectrales infrarouges, d'autant plus étroites que l'on veut obtenir une image plus homogène de la Terre, conduit à limiter de façon drastique l'intensité de rayonnement reçue par les détecteurs. L'invention vise à pallier les difficultés de détection du rayonnement infrarouge émis par la Terre et propose d'utiliser le rayonnement solaire réfléchi par la Terre ou diffusé par l'atmosphère terrestre dans la bande spectrale du visible, c'est-àdire entre 0,4 et 0,9 micron de longueur d'onde. Toutefois, l'observation de la Terre dans la bande spectrale du visible, à partir d'un véhicule spatial, conduit à une image très particulière de la Terre qui évolue en fonction de la configuration Soleil, satellite, Terre. Lorsque le Soleil, le satellite et- la Terre soht en conjonction, la Terre apparait comme un disque lumineux tranchant sur un fond sombre. En quadrature, la Terre apparat comme un demi-disque d'éclairement non uniforme. Lorsque le Soleil tend à passer derrière la Terre par rapport au satellite, la Terre apparait comme un croissant de plus en plus réduit et lorsque le Soleil est en opposition avec le satellite, la Terre apparaît comme une couronne lumineuse, couronne provoquée par la diffusion directe du rayonnement solaire visible par les molécules de l'atmosphère, autour d'un disque noir. Dans ces conditions, les variations de forme et d'intensité lumineuse de l'image de la Terre rendent impossible la mesure de la direction du centre de la Terre à l'aide de senseurs solaires de l'art antérieur utilisant, pour chaque direction de mesure, deux cellules photosensibles couplées en opposition. L'invention est ainsi remarquable en ce qu'elle s'appuie sur la détection du rayonnement visible dû aussi bien à la réflexion de la lumière solaire sur la Terre qu'à la diffusion de cette lumière solaire par la couronne atmosphérique de la Terre. Conformément à la présente invention, les composants photosensibles du senseur sont constitués par des dispositifs à transfert de charge, ces composants étant associés à un système optique de focalisation comprenant au moins un objectif destiné à focaliser le rayonnement sur les surfaces sensibles des dispositifs à transfert de charges et un filtre optique placé devant ledit ob jectif et capable de limiter le rayonnement reçu par le système optique à la bande spectrale visible comprise sensiblement entre 0,4 et 0,9 micron La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif permettra de mieux comprendre comment l'invention s'exécute et se poursuit, et de mieux en apprécier sa portée. La figure 1 représente dans 1 'espace le véhicule spatial, en orbite géostationnaire, et le Soleil. La figure 2 représente le phénomène de diffusion du rayonnement solaire par l'atmosphère terrestre. La figure 3 représente le dispositif de détection selon la présente invention, et la figure 4, le principe de détection. La figure 1 représente les positions respectives du satellite et du Soleil par rapport à la Terre. L'orbite du satellite est quasi-circulaire et équatoriale : elle est parcourue en une journée sidérale, par un satellite géostationnaire. L'autre orbite E est une réduction de l'écliptique représentant le mouvement apparent du Soleil et décrite en une période de un an. Les points H, P, E et A représentent les positions apparentes du Soleil en hiver, au printemps, en été et en automne. Le plan de l'écliptique est incliné d'un angle 6 = 23,45 par rapport à celui de l'équateur. L'axe Ah ' représente les zones d'éclipse pour les équinoxes de printemps et d'automne. En effet, pour un engin spatial tel que celui de la figure 1, tournant autour de la Terre en orbite géostationnaire, les phénomènes de phase d'éclairement de la Terre font que la transition Terre-espace apparaît tantôt comme un disque éclairé (le sol) se détachant sur un fond sombre (l'espace), tantôt comme un disque sombre (le sol et les premières couches de l'atmosphère) entouré par une couronne lumineuse (les couches supérieures de l'atmosphère). L'invention procède d'une démarche jusque là considérée comme irréalisable pour des raisons technologiques : elle consiste à détecter en plusieurs points les coordonnées spatiales de la transition Terre-espace quelle que soit la phase d'éclairement de la Terre. La détection de cette transition lorsque le sol est éclairé ne provoque aucune difficulté. Il n'en est pas de même lorsque le sol et les basses couches de l'atmosphère restent sombres et sont entourées d'une couronne lumineuse. En effet, dans le cas d'un satellite placé en orbite géostationnaire, (circulaire, équatoriale, rayon de l'orbite 42.200 km), la Terre est vue sous un diamètre apparent de 17,36 , ce qui signifie que, vu du satellite, le centre du Soleil n'est jamais en dessous de 8,68 d'un point de l'horizon. Lorsque la Terre se trouve centrée sur la droite satellite-Soleil, les droites d'un plan quelconque contenant le satellite et le Soleil et tangentes au sol terrestre se coupent à une altitude de 18,3 km (Figure 2), altitude $ laquelle la pression atmosphérique est encore 7 % de sa valeur au niveau du sol. L'intensité réelle du rayonnement diffusé par la couronne atmosphérique dépend de nombreux paramètres tels que l'altitude et les propriétés réfléchissante du sol et des nuages, la distribution granulométrique des aérosols et de paramètres géométriques comme la réfraction et la turbulence atmosphérique, la distance zénithale ou nadirale du Soleil à l'horizon. Mais, en ne tenant compte que de la seule diffusion de Rayleigh par les molécules de l'air, hors réfraction et diffusion multiples, les calculs effectués par la Demanderesse montrent que le signal n'est pas négligeable et que l'utilisation de photodétecteurs à grande sensibilité dans le domaine du visible s'avère possible. Le dispositif de détection, selon la présente invention, tel que représenté à la figure 3 consiste à utiliser des Dispositifs à Transfert de Charges (DTC) (référencés 1 à 8), chaque dispositif étant associé à un système optique de focalisation dont l'axe optique vient tangenter l'horizon de la Terre, les points de tangence ainsi définis étant répartis régulièrement sur la circonférence terrestre. Ces DTC (dits en anglo-saxon "CCD", pour "charge-coupled device") peuvent être par exemple une barrette d'éléments telle que le dispositif n" 122 CCD commercialisé par la firme FAIRCHILD, qui comporte 1728 éléments (ou pixels pour "picture elements" en anglo-saxon) de 13 /um de côté et d-'une longueur totale de 22,464 mm.Ces barrettes peuvent être en nombre quelconque, en tout cas supérieur ou égal à 4, et préférentiellement 6 ou 8, et sont disposées de telle sorte que leur direction principale soit perpendiculaire à l'image du bord concerné du disque terrestre dans l'objectif associé à ladite barrette. En outre, pour pouvoir tirer le meilleur parti du signal en ce qui concerne son intensité, tout en réduisant les contraintes thermiques appliquées aux DTC, notamment sur l'effet de rayonnement solaire direct, il est judicieux de placer devant chaque objectif un filtre optique qui arrête tout rayonnement hors du domaine de longueurs d'onde 0,4 - O,9 micron. Enfin, selon une réalisation de l'invention, le senseur est muni de moyens permettant de sélectionner en vol ceux des dispositifs à transfert de charge qui sont le plus favorablement placés pour effectuer la mesure, à un instant donné. En effet, selon la position du Soleil par rapport à l'axe satellite-Terre, certains DTC sont plus favorisés que d'autres quant à l'intensité lumineuse En effet, lorsque le Soleil est exactement dans l'axe satellite-Terre, tous les DTC sont équivalents pour la mesure cependant, il suffit des mesures fournies par deux DTC placés selon des diamètres différents pour connaltre la position du centre, puisque l'on connait en outre le rayon de l'image du disque terrestre.Lorsque le Soleil n'est pas- exactement dans l'axe satellite-Terre, par exemple dans le cas de la figure 3 en supposant que le Soleil soit situé dans le bas de celle-ci, les barrettes référencées 1, 2, 3, 7 et 8 sont insuffisamment éclairées et la détermination de la transition peut etre imprécise pour ceux-ci, la barrette référencée 5 peut être très éclairée et conduire à une saturation des éléments voisins de l'élément déterminant, et par un effet de diffusion de charges conduire également à une certaine imprécision, alors que les barrettes 4 et 6 sont les plus adéquates pour lever l'indétermination. Ces moyens de sélection peuvent etre par exemple un car cuit électronique qui effectue la moyenne des différents signaux émis par les différents éléments constituant la barrette et représentatifs de la création de charges sous l'effet du rayonnement reçu, puis qui compare cette somme à deux niveaux dits plancher et plafond, de façon à éliminer les éléments non éclairés et saturés. Ces moyens peuvent être également du type horloge programmable qui, en fonction du temps local et donc de la position du satellite dans l'espace, commute ou non une barrette déterminée à une chaîne de mesure. On peut éviter les phénomènes de saturation ou leurs conséquences en introduisant un perfectionnement désormais classique et connu sous l'appellation anglo-saxonne de "anti-blooming" qui consiste à évacuer les charges en excès au moyen d'électrodes métalliques déposées sur le DTC et/ou à réduire le temps d ' intégration du signal lumineux en asservissant la fréquence de commande du DTC à la valeur de l'éclairement, c'est-àdire à la valeur maximale du signal obtenu, Enfin, selon une autre réalisation de l'invention, le senseur est muni d'un diaphragme mécanique (pour lequel l'obtura- tion s'effectue par un déplacement mécanique de pièces) ou optique (pour lequel l'obturation s'effectue par variation progressive de teinte d'un verre) de façon à éviter la saturation d'une barrette, ou même sa détérioration, par exemple au lever du Soleil. La figure 4 représente schématiquement le principe de la détection au moyen d'une barrette de DTC, référencée 10 à la surface de laquelle est focalisé le rayonnement solaire, au moyen d'un dispositif de focalisation 11, représenté ici par une lentille simple et filtré par un filtre 12 qui laisse passer la bande spectrale 0,4 - 0,9 micron. Pour une barrette de 2p éléments, on peut supposer que l'axe optique du dispositif 11 rencontre l'élément référence p. Pour un dépointage nul de cet axe, et dans le cas où la Terre apparaît comme un disque ou un croissant clair sur un fond sombre, les éléments de référence p+1, p+2 ..., 2p ne seront pas, ou seront peu éclairés, alors que l'image lumineuse s'étendra sur les éléments p-1, p-2 ..., pq ; dans le cas où l'image de la Terre est une couronne lumineuse autour d'un disque sombre, les éléments de référence 1, 2 ... pî ne seront pas ou seront peu éclairés, 1 'image de la couronne lumineuse s' étendra sur quelques éléments : p, p+1, ... p+q et les éléments de référence supérieure seront également pas ou peu éclairés, sauf dans le cas d'un lever de Soleil. La détection consiste donc à déterminer quel est le premier élément éclairé dans une barrette linéaire, par analyse du signal de sortie, pour une lecture en partant de l'intérieur de l'image de la Terre dans le cas d'une couronne lumineuse, de l'ex- térieur de l'image de la Terre dans le cas d'un disque ou d'un croissant. Une étude simple de la dynamique des signaux qui peuvent être reçus par les différents éléments et qui permet de décider ainsi de la position de l'horizon montre qu'elle est de quelques 104, alors que la dynamique enregistrable par les DTC actuellement commercialisés est de l'ordre de 2000. L'utilisation des moyens cités plus haut permettant d'éviter la saturation donc de réduire la dynamique du signal lumineux rend utilisables les DTC pour l'utilisation envisagée. La variation de la référence de l'élément ainsi déterminé entraine donc une correction de l'attitude du satellite selon les principes d'asservissement communs pour l'homme de l'art. Enfin, il est bien évident que toute variante non essentiellement différente est contenue dans le cadre de la présente invention tel que défini par les revendications ci-après annexées comme ne faisant pas à proprement parler véritable oeuvre d'esprit. REVENDICATIONS 1. Senseur d'horizon terrestre à monter sur un véhicule spatial et capable de repérer la transition Terre-espace au moyen d'éléments photosensibles fonctionnant dans-la bande spectrale du visible, caractérisé en ce que lesdits éléments photosensibles sont constitués par des dispositifs à transfert de charges, associés ensemble ou unitairement à un système optique de focalisation comprenant au moins un objectif destiné à focaliser le rayonnement sur la surface sensible du dispositif à transfert de charges. 2. Senseur d'horizon, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un filtre optique, placé devant ledit objectif et capable de limiter le rayonnement reçu par le système optique à la bande spectrale visible comprise sensiblement entre 0,4 et 0,9 micron. 3. Senseur d'horizon, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour sélectionner en vol ceux des dispositifs à transfert de charges les plus favorablement orientés pour effectuer la mesure à un instant donné. 4. Senseur d'horizon, selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque dispositif à transfert de charges est relié à un circuit électronique qui effectue la moyenne des différents signaux émis par les différents éléments constituant ledit dispositif et qui compare cette moyenne à deux niveaux dits plancher et plafond, de façon à éliminer les dispositifs peu éclairés et les dispositifs saturés. 5. Senseur d'horizon, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une horloge programmable qui en fonction du temps local connecte ou déconnecte chaque dispositif à une chaîne de mesure. 6. Senseur d'horizon, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'analyse des réponses des détecteurs à transfert de charge recherchant le premier élément éclairé dans le sens bord-centre pour une image de la Terre en clair sur fond sombre et dans le sens centre-bord pour une image de la Terre sombre entourée d'une couronne claire.