Brevet FR2633714A1 — publié le 19900105

DESCRIPTION Dispositif de mesure d'attitude". L'invention concerne un dispositif de mesure placé sur un premier objet de l'espace pour évaluer son attitude par rapport à un second objet de l'espace, ledit premier objet étant ou non en mouvement par rapport audit second objet, ledit dispositif comportant un capteur optique dont le champ de vue instantané balaye périodiquement ledit second objet et qui reçoit l'émission de son rayonnement dans une bande spectrale déterminée pour la transformer en un signal électrique au moyen d'un détecteur. Un tel dispositif trouve une application par exemple dans un satellite de télécommunication dont les antennes doivent etre constatent pointées vers la terre avec une certaine tolérance angulaire. Il faut donc que la plateforne qui supporte ses antennes soit elle-même orientée convenablement et en permanence dans la bonne direction, ce qui nécessite la mesure précise de l'attitude du satellite par rapport à la terre. Cette mesure est effectuée par l'intermédiaire dudit capteur qui détecte les limites entre le, disque terrestre et l'espace. Les angles d'attitude sont repérés par rapport aux axes instantanés de rotation dudit premier objet (le satellite de télécommunication dans l'application précitée) en roulis (axe tangent à l'orbite) et en tangage (axe perpendiculaire au plan orbital). Le calcul des angles est effectué à partir des informations fournies par ledit détecteur lors du balayage périodique dudit second objet (le disque terrestre dans l'appli cation précitée) par le champ instantané du capteur. Le mouvenent de balayage est actionné par un dispositif optico-sécani- que. Lorsque la constante de temps du détecteur est négligeable par rapport à l'intervalle de temps mis par le champ de vue du capteur pour traverser le second objet de l'espace tout en y étant inclus en totalité, le signal détecté suit exactement l'évolution de la convolution du profil de luainan- ce avec le champ de vue instantané du capteur. Ce signal est ensuite filtré dans un filtre passe-bande dont la réponse est constituée de deux impulsions de nêre amplitude, l'une de signe positif lors de la transition entre l'espace et le second objet (entrée second objet), l'autre de signe négatif lors de la transition entre le second objet et l'espace (sortie second objet). Une détection à seuil permet d'obtenir les instants de transition tE (entrée second objet) et tS (sortie second objet). Si l'hypothèse habituellement faite, consistant & négliger la constante de temps du détecteur vis-à-vis de l'intervalle de temps mis par le champ du capteur pour balayer le second objet n'est pas satisfaite, cela peut résulter - soit du choix d'un détecteur à grande constante de temps, fournissant souvent un plus grand rapport signal à bruit - soit du choix d'une fréquence de balayage plus élevée, en vue d'augmenter la fréquence de mesure - soit du fait d'un plus faible parcours de balayage, ce qui se produit par exemple lorsque le satellite est notablement dépointé. Il s'ensuit que le signal fourni par le détecteur après l'entrée second objet, n'a pas le temps d'atteindre son niveau asymptotique avant la sortie second objet : l'impulsion de sortie démarre alors à un instant postérieur à l'instant où le signal sort du profil de luminance du second objet. De plus l'impulsion négative en sortie du filtre passe-bande démarre avant que l'impulsion positive ne soit revenue à zéro. Ces deux défauts constituent des causes d'erreur de mesure de l'instant de transition de sortie second objet, et par conséquent des deux angles d'attitude du satellite par rapport à ce second objet - erreur déterministe liée au décalage temporel et à la défor ovation de la réponse - plus grande sensibilité au bruit sur la détection de l'ins tant de sortie, du fait de la dégradation de la pente du si gnal. Il faut noter que la déformation de la réponse est elle-ême fonction de la longueur du parcours de balayage, c'est-à-dire de l'attitude réelle du satellite. Il en résulte donc - une non-linéarité de la fonction de réponse du capteur (fonction reliant l'attitude vraie à l'attitude mesurée) - un couplage entre les deux axes, roulis et tangage, selon lesquels l'attitude est mesurée. Le but de l'invention est de prévenir la plupart des causes d'erreur énumérées ci-dessus afin de pallier les défauts qu'elles occasionnent. A cet effet, l'invention est remarquable en ce que ledit dispositif de mesure d'attitude comporte à la suite dudit détecteur, un filtre passe-haut suivi d'un organe séparateur de la partie croissante et de la partie décroissante dudit signal, chacune desdites parties étant introduite dans un filtre passe-bas dont la réponse est une impulsion positive pour la partie croissante du signal et une impulsion négative pour la partie décroissante du signal, chacune desdites impulsions étant introduite dans un détecteur à seuil S qui détermine l'instant de transition tE dudit champ de vue entre l'espace et l'entrée dudit second objet d'une part, l'instant de transition tS dudit champ de vue entre la sortie dudit second objet et l'espace d'autre part, avec une précision indépendante de l'intervalle de temps séparant lesdits instants dont les valeurs sont reliées aux angles d'attitude correspondants. Pour tenir compte de variations éventuelles de la luminance dudit objet (le disque terrestre par exemple), variations très lentes en fonction du temps et variations spa tiales le long du disque, le seuil S est choisi indépendamment pour l'entrée et pour la sortie second objet, à une fraction constante de l'amplitude des impulsions correspondantes obtenues au cours des balayages précédents. Le détecteur qui reçoit le rayonnement émis par ledit second objet est par exemple un bolomètre placé derrière un filtre IR . Dans le cas où ledit second objet est la terre, le fitre IR fonctionnera par exemple dans la bande d'absorption du CO2 autour de 15pm. L'invention sera nieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode de réalisation d'un dispositif donné à titre d'exemple non limitatif, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent - figure 1 : un satellite en orbite terrestre. - figure 2 : le mode de balayage du disque terrestre par le champ de vue instantané du capteur. - figure 3 : les diagrammes de temps des signaux électriques en sortie du détecteur et en sortie du filtre dans le cas du fonctionnement idéal. - la figure 4 : les diagrammes de la figure 3 dans le cas pra tique du fonctionnement. - figure 5 : le schéma synoptique du dispositif de l'inven tion. - figure 6 : les diagrammes de temps des signaux électriques résultant du traitement séparé, selon le dispositif de l'in vention, des parties croissantes et décroissantes du signal issu du détecteur. La figure 1 représente un satellite figuré par un parallélépipède 1 qui se déplace dans l'espace 2 autour de la terre 3 en décrivant l'orbite 4. Des mesures temporelles effectuées au moyen d'un capteur embusqué sur le satellite permettent de déterminer à chaque instant ses écarts angulaires autour de ses axes instantanés de roulis 5 (tangent à l'orbite) et de tangage 6 (perpendiculaire au plan orbital), c'està-dire son attitude angulaire par rapport a la terre. La figure 2 montre la trace 7 du champ de vue instantané du capteur dans le plan du disque terrestre vu à une certaine distance. Ce champ balaye le disque suivant la corde 8 de'longueur l à la distance x du centre c. Lorsque le capteur vise l'espace il rayonne suivant sa propre température et perd de l'énergie. Son champ de vue est situé à l'extérieur du disque terrestre. Dès que ce champ pénètre dans le disque et parcourt la corde 8, le capteur re çoit l'énergie rayonnée par la terre. Le rayonnement émis est transformé en un signal électrique au moyen d'un détecteur. Ce signal varie en fonction du temps selon la courbe de réponse en trait plein 10 de la figure 3a superposée au signal correspondant au profil de la terre tracé en traits in terrompus 11. Ce dernier signal varie de façon abrupte aux transitions entrée et sortie ; son produit de convolution avec le champ de vue instantané du capteur donne la variation en forme de trapèze du signal en sortie du détecteur avec un temps de montée et un temps de descente fixés par la valeur angulaire du champ, la constante de temps du détecteur étant supposée négligeable. A partir de l'instant où le champ de vue du capteur pénètre dans le disque terrestre, il met le temps ht1 pour atteindre sa valeur de palier qu'il conserve pendant le temps "t2. Le passage de ce signal dans un filtre passe-bande fournit les impulsions de même amplitude 12' et 12 représentées sur la figure 3b. L'impulsion positive correspond au temps de montée du signal lors de la transition espace-terre et l'impulsion négative correspond au temps de descente du signal lors de la transition terre-espace. 5maux étant l'amplitude de l'ispulsion, on peut convenir de fixer les instants d'entrée et de sortie du champ de vue instantané du capteur aux transitions de la terre et de l'espace, à partir d'un seuil S représentant une fraction de cette amplitude. Avec JSI=5max/2 par exemple, on obtient les instants tE et t5 indiqués sur la figure. La longueur 1 de la corde de balayage 8 (figure 2) est directement proportionnelle à la différence tS-tE. Il est donc possible de calculer la distance x (distance qui sépare la ligne de balayage du centre du disque terrestre) c'est à dire l'orientation angulaire du satellite dans la direction perpendiculaire à la ligne de balayage en fonction de tS-tE et par conséquent les variations éventuelles de cette orientation par rapport à une valeur de référence. La valeur de la demi-somme k (tS+tE) correspond à l'instant de passage du champ de vue instantané du capteur par le point milieu de la corde de balayage. Lorsque la mesure des instants de transition est reliée à la position angulaire du champ de vue instantané le long de la ligne de balayage, par exemple par l'intermédiaire d'un codeur angulaire, à la valeur de k(tE+tS) correspond un angle mesuré dans le plan contenant la ligne de balayage. Pratiquement, on mesure ici encore les écarts d'orientation par rapport à une valeur de référence. On a déjà mentionné ci-dessus que l'allure de la courbe de réponse du signal détecté est liée a différents facteurs : temps de réponse du détecteur, fréquence du balayage et distance balayée sur le disque terrestre. On dispose ac tellement de détecteurs ayant une constante de temps de quelques millisecondes avec un bon rapport signal à bruit. Pour une fréquence de balayage de 1 Hz la réponse du détecteur est encore acceptable, mais si l'on désire améliorer les conditions de mesure en portant par exemple cette fréquence à 10 Hz, le signal en sortie du détecteur est très déformé. On a porté sur la figure 4a la variation en fonction du temps du signal effectivement obtenu 13 avec un détecteur et une fréquence de balayage déterminés. Le niveau asymptotique de ce signal n'est pas atteint avant que le champ de vue du capteur ne soit sorti du disque terrestre. Le passage de ce signal dans un filtre passe-bande fournit l'impulsion d'entrée 14' et l'impulsion de sortie 14" représentées sur la figure 4b. Cette dernière impulsion de plus faible amplitude démarre à l'instant t postérieur à l'instant ats+At2 correspondant à la somme du temps de montée et de la durée du palier sur la courbe de réponse idéale 10 de la figure 3a reportée sur la figure 4a et tracée en traits interrompus. De plus, l'impulsion négative 14" démarre avant que l'impulsion positive ne soit revenue à zéro. Ces défauts sont les causes essentielles des erreurs de mesures d'attitude déjà citées. L'idée de l'invention consiste à traiter séparément les parties du signal de réponse du détecteur située de part et d'autre de l'instant t*, c'est-à-dire les parties ayant respectivement une pente positive et une pente négative. On élimine ainsi au moins partiellement les causes d'erreurs liées aux défauts de non linéarités et aux décalages temporels de la réponse globale. La figure 5 donne le schéma de principe du dispositif de l'invention qui comporte le détecteur D représenté par un générateur électrique en série avec une résistance et relié à un filtre passe-haut F qui est lui-même relié au séparateur S. Le séparateur effectue la séparation des deux parties du signal précitées. La partie positive est traitée dans la voie positive via le filtre passe-bas F+ et le détecteur à seuil D+. La partie négative est traitée dans la voie négative via le filtre passe-bas F- et le détecteur à seuil D-. On obtient ainsi en sortie de D+ et D- les instants tE et tS respec tillent. Sur la figure 6a on a reporté les diagrammes de temps de la figure 4a en indiquant par les repères 13' et 13" les deux parties de-la courbe de réponse globale 13 du détecteur. Sur la figure 6b on montre les diagrammes de temps séparés des voies positive et négative. Ainsi la réponse partielle 13' du signal détecté issue du séparateur fournit après filtrage et séparation, l'impulsion 15'. La fixation du seuil S dans le détecteur D+ détermine l'instant tE. De la même manière, la réponse partielle 13- du signal détecté fournit après filtrage et séparation, l'impulsion 15". La fixation du seuil S' dans le détecteur D- détermine l'instant tS. REVENDICATIONS : 1. Dispositif de mesure placé sur un premier objet de l'espace pour évaluer son attitude par rapport à un second objet de l'espace, ledit premier objet étant ou non en mouvement par rapport audit second objet, ledit dispositif comportant un capteur optique dont le champ de vue instantané balaye perio diquement ledit second objet et qui reçoit l'émission de son rayonnement dans une bande spectrale déterminée pour la transformer en un signal électrique au moyen d'un détecteur, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte à la suite dudit détecteur, un filtre passe-haut dont la réponse est introduite dans un organe séparateur de la partie croissante et de la partie décroissante dudit signal, chacune desdites parties étant introduite dans un filtre passe-bas dont la réponse est une impulsion positive pour la partie croissante du signal et une impulsion négative pour la partie décroissante du signal, chacune desdites impulsions étant introduite dans un détecteur à seuil S qui détermine l'instant de transition tE dudit champ de vue entre l'espace et l'entrée dudit second objet d'une part, l'instant de transition t5 dudit champ de vue entre la sortie dudit second objet et l'espace d'autre part, avec une précision indépendante de l'intervalle de temps séparant lesdits instants dont les valeurs-sont reliées aux angles d'attitude correspondants. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit seuil de détection S est choisi indépendamment pour l'entrée et la sortie dudit second objet, à une fraction constante de l'amplitude des impulsions correspondantes. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit détecteur recevant' par l'intermédiaire dudit capteur optique le rayonnement émis par ledit second objet est par exemple un bolomètre placé derrière un filtre IR fonctionnant dans la bande d'absorption du CO2 autour de 15po. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caracté -risé en ce qu'il permet l'utilisation d'un détecteur à grande constante de temps et/ou une fréquence de balayage plus élevée et/ou un plus faible parcours de balayage.