Brevet FR2599492A1 — publié le 19871204

Agencement de détection de traversée d'horizon La présente invention concerne un agencement de détection de traversée d'horizon pour la mesure de l'attitude d'un spationef sur orbite. La mesure d'attitude d'un spationef stabilisé suivant trois axes se fait couramment à l'aide d'un détecteur de traversée d'horizon. Celui-ci est un dispositif sensible aux radiations infrarouges de l'atmosphère, inséré généralement dans une boucle de réglage d'attitude qui corrige les écarts d'attitude du spationef par rapport à l'attitude nominale dans laquelle le spationef a un axe (dénommé axe de lacet) pointé vers le bas suivant la verticale locale. Le détecteur de traversée d'horizon comprend un miroir tournant qui réfléchit les radiations infrarouges collectées vers un bolomètre ou dispositif de mesure de radiations. Tournant à vitesse angulaire constante, le miroir tournant projette le champ de vision du bolomètre sur la voûte céleste et balaie ainsi dans espace un cône dans lequel sont collectées les radiations de l'atmosphère. Le dispositif de mesure produit un signal électrique proportionnel aux radiations incidentes. Chaque fois que le faisceau de balayage traverse la limite du disque apparent d'une cible de référence, par exemple la terre, il se produit une variation de radiation que mesure le dispositif de mesure et une impulsion de transition espace/planète ou planète/espace se trouve engendrée par un processus de différentiation électronique.Les écarts d'attitude du spationef par rapport à sa disposition nominale (écarts de roulis et écarts d'inclinaison) sont corrigés par la boucle de réglage. Malheureusement, les mesures d'attitude obtenues sont altérées. Les altérations ou erreurs sont produites par exemple par des variations d'altitude de orbite et par l'aplatissement de la terre ou de la planète, qui produisent une variation du diamètre et une distorsion elliptique du disque planétaire apparent. Ces erreurs sont parraitement déterminées et elles peuvent etre calculées à partir de données de référence connues et soustraites des mesures, mais ces calculs nécessitent des algorithmes de correction d'erreurs élaborés. Une solution connue pour réduire les erreurs consiste à utiliser deux détecteurs de traversée d'horizon qui ont leurs axes optiques dans un plan contenant la direction de la verticale locale. Une autre solution connue consiste à scinder le faisceau d'analyse projeté dans l'espace par le miroir de balayage en deux demicônes diamétralement opposés grâce à deux miroirs plans fixes inclinés à 450 sur l'axe de la tete optique. Ces deux solutions ne permettent cependant pas d'éliminer les erreurs de premier ordre dues aux variations de l'altitude de l'orbite du spationef et à l'aplatissement de la terre. L'invention a pour objectif d'éliminer les erreurs de premier ordre précitées dans les mesures d'attitude par un agencement à bord meme du spationef de manière à éviter la nécessité d'utiliser des algorithmes de correction d'erreurs. Cet objectif est atteint grâce à l'invention par un agencement comprenant des premiers moyens pour projeter un faisceau d'analyse dans l'espace et produire un signal électrique chaque fois que le faisceau d'analyse traverse la limite d'une cible de référence, ces moyens ayant des axes optiques situés dans un plan contenant l'axe de lacet du spationef, et des seconds moyens pour balayer l'horizon et projeter également un faisceau d'analyse dans l'espace et produire un signal électrique chaque fois que le faisceau d'analyse traverse la limite de la cible de référence, ces seconds moyens ayant des axes optiques situés dans au moins un plan qui intersecte le plan contenant les axes optiques des premiers moyens suivant l'axe de lacet du spationef. Dans un modde de réalisation préféré, les moyens d'analyse sont réunis dans une seule tête optique et comprennent un dispositif de mesure de radiations, un miroir de balayage et au moins deux paires de miroirs fixes disposés symétriquement par rapport à l'axe de la tête optique de manière à scinder le faisceau d'analyse projeté par le miroir de balayage en au moins deux paires de demicônes diamétralement opposés, les axes optiques des miroirs fixes de chaque paire étant situés dans un plan contenant l'axe de lacet du spationef, -et les différents plans contenant les axes optiques des paires de miroirs fixes s'intersectant suivant l'axe de lacet. Dans un autre mode d'exécution exemplaire, l'agencement selon l'invention est constitué d'au moins deux têtes optiques, chaque tête optique comprenant un dispositif de mesure de radiations, un miroir de balayage et une paire de miroirs fixes disposés symétriquement par rapport à l'axe de la tête optique de manière à scinder le faisceau d'analyse en deux demi-cônes d'analyse diamétralement opposés, les axes optiques des miroirs fixes de chaque paire étant situés dans un plan contenant l'axe de lacet du spationef et les plans contenant les axes optiques des miroirs fixes s'intersectant suivant l'axe de lacet. Les miroirs tournants des différentes têtes optiques sont commandés pour tourner en synchronisme et les sorties des dispositifs de mesure de radiations sont combinées pour être appliquées à un dispositif de réglage d'attitude. Suivant un autre mode d'exécution, l'agencement selon l'invention est consituté d'au moins deux paires de têtes optiques diamétralement opposées par rapport à l'axe de lacet du spationef, chaque tête optique comprenant un dispositif de mesure de radiations et un miroir de balayage, les axes optiques des miroirs tournants de chaque paire de têtes optiques diamétralement opposées étant situés dans un plan contenant l'axe de lacet et les différents plans contenant les axes optiques s'intersectant suivant l'axe de lacet. Les miroirs tournants des différentes têtes optiques sont commandés pour tourner en synchronisme et les sorties des dispositifs de mesure de radiations sont combinées pour être appliquées au dispositif de réglage d'attitude. L'agencement de détection selon l'invention a pour avantage principal, comme dit plus haut, de permettre les mesures d'attitude de spationefs en éliminant les erreurs de premier ordre dues aux variations d'altitude de l'or- bite et aux variations de diamètre de la terre ou de la planète ciblé, qui produisent une distorsion du disque planétaire apparent. L'agencement selon l'invention a également pour avantage, grâce à un choix Judicieux des angles d'inclinaison des éléments optiques, de convenir pour les mesures d'attitude sur orbite basse aussi bien que sur orbite haute jusqu'à 15000 km d'altitude environ. L'invention est exposée dans ce qui suit avec référence aux dessins ci-annexésdans lesquels la figure 1 illustre schématiquement l'art antérieur, la figure 2 montre les traces du faisceau d'analyse sur le disque apparent d'une cible, obtenues avec le montage de la figure 1, la figure 3 représente schématiquement un mode de réa lisation exemplaire préféré de l'agencement selon l'in vention. Avant de décrire un mode de réalisation exemplaire préféré de l'agencement selon l'invention, on se référera à la figure 1 qui illustre schématiquement l'art antérieur. La lettre D désigne un dispositif de mesure de radiations, la lettre R désigne un miroir tournant, les lettres M1 et M2 désignent une paire de miroirs fixes et la lettre Z désigne l'axe de lacet du spationef à bord duquel est monté le dispositif. L'axe optique du dispositif de mesure D coricide avec l'axe de lacet Z. Le miroir tournant R est monté pour tourner autour de l'axe Z, le mouvement de rotation lui étant imprimé par un mécanisme d'entratnement non représenté.Le miroir tournant R étant animé d'un mouvement de rotation à vitesse angulaire constante, il réfléchit le cône d'ouverture du dispositif de mesure D et les miroirs fixes M1 et M2 scindent le cône d'analyse en deux demicônes de balayage virtuels dont les axes sont situés dans le plan YZ et sont symétriques par rapport au plan XZ. Le dispositif est monté à bord du spationef de manière que les deux demi-ctnes de balayage interceptent la sphère de la cible, par exemple la terre. Chaque faisceau d'analyse forme sur le disque apparente la cible une trace T1, T2 comme montré à la figure 2.Lorsque la trace d'un faisceau traverse la limite du disque apparent ou horizon H, la transition S/P ou P/S produit une variation de radiation à ltentrée du détecteur E et une impulsion de transition se trouve engendrée. La longueur angulaire de la trace du faisceau d'analyse et la position d'un point de référence R sur la trace varient en fonction de l'attitude du spationef et également en fonction de l'altitude de l'orbite sur laquelle se déplace le spationef. Les écarts dans le temps entre les impulsions de transition et l'impulsion correspondant au point de référence R, après traitement approprié, servent à commander le réglage de l'attitude du spationef, ainsi qu'il est connu dans le domaine de l'art. Les mesures d'attitude avec ce dispositif connu, que l'on appellera dispositif à simple symétrie, contiennent des erreurs de premier ordre dues à l'aplatissement de la planète cible et à la variation de l'altitude de l'orbite bien qu'elles soient exemptes en première approximation d'erreurs dépendant de l'attitude ou de l'altitude. C'est pour éliminer complètement ces erreurs de premier ordre dépendant de l'attitude et de l'altitude, y compris celles qui sont dues à l'aplatissement de la planète ou de l'orbite, qu'est conçue l'invention dont un mode de réalisation exemplaire préféré est illustré schématiquement à la figure 3. L'agencement exemplaire représenté à la figure 3 est constitué d'une tête optique 10 comprenant un détecteur de radiations Il avec objectif 12 et filtre spectral 13 associés, et un miroir de balayage 14 monté pour tourner autour de l'axe Z sous la commande d'un mécanisme dentrat- nement non représenté. Suivant l'invention, l'agencement exemplaire comprend également deux paires de miroirs fixes 21, 22, 23, 24 disposés symétriquement autour de l'axe de lacet Z. Les axes optiques des miroirs de chaque paire de miroirs fixes diamétralement opposés (21, 23; 22, 24) sont situés dans un plan contenant l'axe Z, ces deux plans se coupant suivant l'axe Z. Dans l'exemple illustré, les deux plans contenant les axes optiques sont perpendiculaires entre eux. Cette perpendicularité n'est toutefois pas nécessaire.De plus, les miroirs fixes 21-24 pourraient avoir une forme incurvée au lieu d'être plans comme montré à la figure 3. Au cours de chaque révolution du miroir de balayage 14, le faisceau d'analyse forme deux paires de demi-canes de balayage diamétralement opposés et en réponse à ce quadruple faisceau, le détecteur i1 détecte huit traversées de l'horizon H, qui engendrent huit impulsions de transition S/P ou P/S. La longueur de chaque miroir fixe est choisie telle que le segment qu'il forme contienne entièrement l'arc utile de la trace d'analyse T qui lui correspond. Le nombre de paires de miroirs fixes peut être plus grand que deux. Les angles d'inclinaison du miroir de balayage et des miroirs fixes par rapport à la direction de l'axe de lacet Z sont choisis en fonction de l'altitude nominale de l'orbite en sorted'obtenir des impulsions de transition bien séparées et en sorte d'éviter la réflexion en retour du faisceau d'analyse. Un angle d'inclinaison du miroir de balayage d'au moins 502 est jugé préférable et satisfaisant. Du point de vue de la compacité de l'agencement, ila par exemple été réalisé un montage avec des miroirs fixes ayant une hauteur ne dépassant pas 3 cm environ dans le plan XY pour un angle d'inclinaison de 600 pour le miroir de balayage. Une étude mathématique fouillée effectuée par la demanderesse concernant les performances de l'agencement de détection selon l'invention a montré que pet agencement permet d'éliminer les erreurs de premier ordre dues aux. variations d'altitude de l'orbite ou aux variations du diamètre de la planète dans les mesures d'attitude d'un spationef et de réaliser ainsi une stabilisation améliorée du spationef en roulis et en inclinaison avec une précision pouvant être de l'ordre de 0,01 , c'est-à-dire du même ordre de grandeur que les erreurs de second ordre. L'agencement de détection selon l'invention a pour avantage principal, comme dit plus haut, de permettre les mesures d'attitude de spationefs en éliminant les erreurs de premier ordre dues aux variations d'altitude de l'orbite et aux variations de diamètre de la planète cible, qui produisent une distorsion du disque planétaire apparent. Grâce à un choix judicieux des angles d'inclinaison des éléments optiques, l'agencement selon-l'invention a également pour avantage de convenir pour les mesures d'attitude sur orbite basse aussi bien que sur orbite haute jusqu'à 15 000 km d'altitude environ. Dans le mode d'exécution préféré décrit dans ce qui précède, l'agencement selon l'invention comprend une seule tête optique contenant le dispositif de mesure de radiations et les miroirs. L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de réalisation exemplaire mais à toute réalisation de détection de traversée d'horizon à symétries multiples par opposition aux dispositifs à simple symétrie connus.Par exemple, l'agencement selon l'invention peut comprendre au moins deux têtes optiques, chaque tête optique comprenant un dispositif de mesure de radiations, un miroir de balayage et une paire de miroirs fixes disposés symétriquement par rapport à l'axe de la tête optique de manière à scinder le faisceau d'analyse en deux demicônes d'analyse diamétralement opposés avec les axes optiques des miroirs fixes de chaque paire situés dans un plan contenant l'axe de lacet du spationei et ;Les plans contenant les axes optiques des miroirs fixes s'intersectant suivant l'axe de lacet. Les miroirs tournants des dvifé- rentes têtes optiques sont alors commandés pour tourner en synchronisme et les sorties des dispositifs de mesure de radiations sont combinées pour être appliquées à un dispositif de réglage d'attitude. Suivant un autre mode d'exécution, l'agencement selon l'invention peut aussi comprendre au moins deux paires de têtes optiques diamétralement opposées par rapport à l'axe de lacet du spationef, chaque tête optique comprenant un dispositif de mesure de radiations et un miroir de balayage avec les axes optiques des miroirs tournants de chaque paire de têtes optiques diamétralement opposées situés dans un plan contenant l'axe de lacet du spationef et les différents plans contenant les axes optiques s'intersectant suivant l'axe de lacet. Dans ce cas également, les miroirs tournants des différentes têtes optiques sont commandés pour tourner en synchronisme et les sorties des dispositifs de mesure de radiations sont combinées pour être appliquées au dispositif de réglage d'attitude. Tous ces modes de réalisation ont pour caractéristique commune, conformément à l'esprit de l'invention, de comprendre plusieurs ensembles de moyens optiques disposés autour de l'axe de lacet du spationef de manière que les axes optiques dans chacun de ces ensembles soient situés dans un plan contenant l'axe de lacet et de manière que les différents plans contenant les axes optiques en question scintersectent suivant l'axe de lacet du spationef. REVENDICATIONS 1. Agencement de détection de traversée d'horizon pour la mesure de l'attitude d'un spationef, comprenant des moyens pour projeter un faisceau d'analyse dans l'espace et produire un signal électrique chaque fois que le faisceau d'analyse traverse la limite d'une cible de référence, ces moyens ayant des axes optiques situés dans un plan contenant l'axe de lacet du spationef, caractérisé en ce qu'il comprend des seconds moyens (par exemple 11-14 et 21-24) pour projeter un faisceau d'analyse et produire un signal électrique chaque fois que ledit faisceau d'analyse traverse la limite (H) de la cible de référence, ces seconds moyens ayant des axes optiques situés dans au moins un plan qui intersecte le plan contenant les axes optiques des premiers moyens suivant l'axe de lacet (Z) du spationef. 2. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers et seconds moyens pour projeter un faisceau d'analyse dans l'espace et produire les signaux de transition sont compris dans une seule tête optique (10), la tête optique comprenant un dispositif de mesure de radiations (11), un miroir de balayage (14) monté pour tourner autour de l'axe de lacet (Z) du spationef et projeter l'ouverture du dispositif de mesure dans l'espace, et au moins deux paires de miroirs fixes (21, 23; 22, 24) disposés symétriquement par rapport à l'axe de la tête optique de manière à scinder le faisceau d'analyse projeté par le miroir de balayage (14) en au moins deux paires de demi-cônes de balayage diamétralement opposés, les axes optiques des miroirs fixes de chaque paire étant situés dans un plan contenant l'axe de lacet (Z) du spationef, les différents plans contenant lesdits axes optiques des miroirs fixes (21, 23; 22, 24) s'intersectant suivant l'axe de lacet (Z). 3. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers et seconds moyens.pour projeter un faisceau d'analyse dans l'espace et produire des signaux de transition sont compris dans au moins deux têtes optiques (10) disposées symétriquement par rapport à l'axe de lacet (Z) du spationef, chaque tête optique comprenant un dispositif de mesure de radiations (11), un miroir de balayage (14) monté pour tourner autour d'un axe parallèlefà l'axe de lacet (Z) du spationef et pro Jeter l'ouverture du dispositif de mesure dans l'espace, et une paire de miroirs fixes (21, 23; 22, 24) disposés symétriquement par rapport à l'axe de la tête optique de manière à scinder le faisceau d'analyse projeté par le miroir de balayage (14) en deux demi-cnes de balayage diamétralement opposés, les axes optiques des miroirs fixes de chaque paire étant situés dans un plan contenant l'axe de lacet (Z) du spationef, les différents plans contenant lesdits axes optiques des miroirs fixes (21, 23; 22, 24) s'intersectant suivant l'axe de lacet (Z), les miroirs de balayage des différentes têtes optiques (10) étant commandés pour tourner en synchronisme et les-sorties des dispositifs de mesure de radiations (11) étant combinées pour être appliquées à un dispositif de réglage d'attitude. 4. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers et seconds moyens pour projeter un faisceau d'analyse dans l'espace et produire les signaux de transition sont compris dans au moins deux paires de têtes optiques disposées symétriquement par rapport à Itaxe de lacet (Z) du spationef, chaque tête optique comprenant un dispositif de mesure de radiations (11) et un miroir de balayage (14) monté pour tourner autour d'un axe parallèle à l'axe de lacet (Z) du spationef et proJeter l'ouverture du dispositif de mesure dans espace, les axes optiques des miroirs de balayage (14) de chaque paire de têtesoptiquesdiamétralement opposées étant situés dans un plan contenant l'axe de lacet du spationef, les différents plans contenant lesdits axes optiques s'intersectant suivant l'axe de lacet, les miroirs de balayage des différentes têtes optiques étant commandés pour tourner en synchronisme et les sorties des dispositifs de mesure de radiations (11) étant combinées pour être appliquées à un dispositif de réglage d'attitude. 5. Agencement selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les miroirs fixes (21-24) sont des miroirs plans. 6. Agencement selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que plusieurs ou tous les miroirs fixes ont un profil incurvé.