Brevet FR2649196A1 — publié le 19910104

DESCRIPTION SENSEUR D'HORIZON TERRESTRE A PRECISION AMELIOREE'. La présente invention concerne un senseur d'horizon terrestre utilisant des éléments photosensibles à transfert de charges pour détecter les transitions entre la Terre et l'es- pace sur une image mettant en oeuvre, dans le domaine allant du proche infrarouge à l'ultraviolet, le rayonnement solaire réfléchi par la Terre, ainsi que le rayonnement solaire diffu- sé par l'atmosphère terrestre. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du contrôle d'attitude par rapport à la Terre des satellites artificiels géostationnaires. Pour orienter de manière précise vers des zones particulières de la Terre les antennes directives dont sont munis les satellites artificiels, ceux-ci sont équipés de cap- teurs d'attitude mesurant leur orientation par rapport à des corps célestes (Terre, Soleil, étoiles), et de dispositifs permettant de modifier cette orientation. Les capteurs suscep- tibles de mesurer l'attitude d'un satellite par rapport à la Terre fonctionnent, compte-tenu du diamètre apparent de la Terre, sur le principe de la mesure de l'horizon terrestre, c'est-à-dire de la transition entre la Terre et l'espace. On connaît de l'état de la technique, par exemple du brevet américain n'3 118 063, des senseurs d'horizon ter- restre utilisant des détecteurs sensibles au rayonnement in- frarouge, tels que les thermopiles ou les bolomètres. Ce type de senseur connu est formé par quatre détecteurs montés en croix. Une paire de détecteurs diamétralement opposés consti- tue 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 dé- tecteur, et une diminution pour l'autre détecteur, alors que pour un alignement parfait du satellite, les surfaces recou- vertes sont égales. D'une façon générale, les signaux électri- ques des deux détecteurs sont combinés en opposition, et après amplification, le signal résultant est appliqué à un correc- teur 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. Dans le cas de l'utilisation de détecteurs sensi- bles dans l'infrarouge, on limite généralement la bande spec- trale à une bande d'émission d'un gaz naturellement présent dans l'atmosphère, telle que la bande d'émission du gaz carbo- nique centrée autour de 15pm. Ceci présente l'intérêt de mas- quer le rayonnement issu du sol et des basses couches atmos- phériques dont les variations sont préjudiciables à la- préci- sion de la mesure. L'expérience acquise avec ce type de détec- teur et les perfectionnements qui y ont été apportés permet- tent de penser qu'il est difficile d'améliorer sensiblement leurs performances. C'est pour remédier aux difficultés liées à la fai- ble précision de la détection du rayonnement infrarouge émis par la Terre que la Demanderesse a proposé, dans le brevet français n'2 533 883, un nouveau procédé de mesure d'attitude d'un satellite par rapport à la Terre, dont les principales caractéristiques sont l'utilisation d'éléments photosensibles fonctionnant dans la bande spectrale visible, et l'utilisation d'éléments photosensibles constitués par des dispositifs à transfert de charges. A partir de la position de 8 éléments photosensibles situés à la transition Terre-espace et apparte- nant à 8 barrettes de détecteurs disposées en croix, ce sen- seur d'horizon terrestre connu permet de déterminer le centre du disque terrestre et donc l'attitude du satellite par rap- port à la Terre. Ce type de senseur présente cependant l'inconvé- nient que la précision de la mesure obtenue est relativement faible compte tenu du nombre très limité de points de transi- tion détectés, et que, par ailleurs, des dépointages impor- tants conduisent à une dégradation sensible de la mesure en bord de champ. 264 9 196 Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un senseur d'horizon terrestre conforme au préambule qui présenterait globalement une précision de mesure accrue et qui permettrait par ailleurs la détection de forts dépointages avec une précision indépen- dante de la valeur du dépointage. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que, lesdits éléments pho- tosensibles à transfert de charges étant constitués en une ma- trice bidimensionnelle de détecteurs élémentaires, des moyens de lecture déterminent les coordonnées des détecteurs élémen- taires situés auxdites transitions Terre-espace, et en ce que des moyens de lecture en déduisent la position du centre de la Terre dans le référentiel de la matrice. Ainsi, à l'aide d'une optique focalisation connue en soi, on forme une image de la Terre et de son halo sur une matrice à transfert de charges composée d'un très grand nombre de détecteurs élémentaires disposés selon un arrangement régu- lier de lignes et de colonnes. (A titre d'exemple, le compo- sant commercialisé par la société Thomson-CSF sous la référen- ce TH 7861 comporte une matrice de 288 x 384 détecteurs élé- mentaires). Le rayonnement reçu par l'objectif de focalisation est limité à l'aide d'un filtre optique à une bande spectrale comprise sensiblement entre 0,3 et lpm. La matrice est lue li- gne par ligne par des moyens de lecture qui fournissent l'am- plitude des signaux photoélectriques délivrés par tous les dé- tecteurs élémentaires, ce qui permet ensuite de localiser ceux des détecteurs élémentaires appartenant à la transition Terre-espace. Connaissant ainsi la position sur la matrice de l'image'de la terre entourée de son halo, il est possible à partir des points concernés traités par des moyens de calcul appropriés de trouver les coordonnés du centre de la Terre dans le référentiel de la matrice. Le grand nombre de détec- teurs élémentaires impliqués dans la détermination de la tran- sition conduit à assurer au viseur selon l'invention une très grande précision de mesure, laquelle ne dépend pas de la posi- tion de l'image de la Terre sur la matrice de détecteurs, il n'y a donc pas de perte de précision en fonction du dépointage du satellite par rapport à la Terre. On peut encore améliorer la précision du résultat en ignorant, dans le calcul, les points dont la position pa- rait anormale. Pour cela il est prévu que lesdits moyens de calcul disposent de moyens de discrimination pour éliminer les détecteurs élémentaires retenus dont la distance au centre de Terre calculé est sensiblement différente du rayon du disque terrestre. De manière itérative, un nouveau calcul du centre du cercle est ensuite effectué après suppression des points aberrants. Dans certaines configurations Terre-Soleil-satelli- te, il peut se produire que le Soleil apparaisse dans le champ de vue du senseur. Afin d'éviter les perturbations de mesure qui en résultent, on peut utiliser au moins un des dispositifs cités dans le brevet français n* 2 533 883, à savoir: - Un photodétecteur à transfert de charges équipé d'un dispositif d'antiéblouissement qui empêche un étalement de l'image du Soleil sur les détecteurs élémentaires environ- nants, - Un dispositif électronique permettant d'ajuster le temps d'intégration des photodétecteurs de manière à éviter la saturation des puits de potentiel des détecteurs élémentaires sur lesquels est formée l'image du Soleil. Ceci est effectué en ajustant la fréquence avec laquelle la matrice photosensi- ble délivre l'ensemble de son information (fréquence.image ou fréquence de lecture), - Un dispositif optique dont la transmission varie en relation inverse avec l'éclairement reçu, constitué par une lame de matériau photochromique placée devant l'objectif. Outre les dispositifs connus ci-dessus, il est pro- posé une autre solution qui consiste, selon l'invention, 2649 1 96 en ce que lesdits moyens de lecture disposent de moyens de masquage pour éliminer les signaux provenant des détecteurs élémentaires contenus dans une sous-matrice entourant l'image du Soleil lorsque celle-ci se forme sur la matrice de détec- teurs élémentaires. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 montre en perspective un schéma d'un senseur d'horizon terrestre selon l'invention. La figure 2 représente une matrice à transfert de charge mise en oeuvre dans le senseur de la figure 1. La figure 3 est un bloc-diagramme de la chaine de mesure conduisant à la détermination du centre du disque ter- restre sur la matrice de la figure 2. La figure 1 montre de façon schématique un viseur d'horizon terrestre comportant un système optique 110 de focalisation comprenant au moins un objectif, destiné à foca- liser le rayonnement solaire réfléchi par la Terre et diffusé par l'atmosphère terrestre de façon à former dans le plan fo- cal du viseur 100 l'image 120 de la Terre et de son halo. Un filtre optique, non représenté, placé devant ledit système de focalisation permet de limiter le rayonnement reçu par le vi- seur à une bande spectrale comprise sensiblement entre 0,3 et lpm, soit entre le proche infrarouge et l'ultraviolet. Le senseur 100 de la figure I est utilisé pour dé- terminer la direction D du centre du disque terrestre de façon à connaltre l'attitude par rapport à la Terre d'un engin spa- tial à bord duquel est embarqué ledit senseur et ainsi d'en détecter d'éventuels dépointages. A cet effet, on recherche, dans le plan focal de l'optique 110, les coordonnées xo, yo du centre C de l'image 120 de la terre et du halo terrestre. Il existe alors une relation univoque entre la direction D et le couple {xo,yo}. Comme le 1ontrent les figures 1 et 2, la recherche de la position du point C dans le plan focal est réalisée en utilisant une matrice 130 d'éléments photosensibles à trans- fert de charges telle que la matrice TH 7861 de Thomson-CSF. De façon usuelle, la matrice 130 est lue en transférant sé- quentiellement ligne par ligne les signaux fournis par les éléments photosensibles dans un registre de sortie 131. Le contenu dudit registre de sortie est à son tour transféré vers des moyens 200 de lecture dans le but de déterminer les coor- données xi, yi des éléments photosensibles, marqués en gris sur la figure 2, situés aux transitions Terre-espace. Ensuite, par un traitement approprié à l'aide de moyens de calcul dé- crits plus loin, on déduit de l'ensemble des couples {xi,yi} les coordonnées xo et yo du centre C du disque terrestre. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 3, les si- gnaux provenant du registre de sortie 131 de la matrice sont analysés par des moyens 200 de lecture comprenant un circuit 210 de comparaison à deux tensions 51 et 52 de référence, ou seuils. Ce circuit de comparaison ne retient les coordonnées xi, yi d'un élément photosensible donné que si le signal cor- respondant est compris entre les deux seuils S1 et 52. Ceci a pour effet de ne détecter que les transitions entre l'espace et la Terre et donc d'obtenir le contour de la Terre. Les coordonnées xi, yi des éléments photosensibles retenus sont stockés, par exemple, dans une mémoire 220. Il faut d'autre part signaler que, pour s'adapter aux conditions extrêmes d'illumination résultant des différentes configurations possi- bles entre la Terre, le Soleil et l'engin spatial, il est pré- vu que les seuils de détection 51 et S2 sont adaptatifs. Les moyens 200 de lecture comportent également des moyens 230 de masquage pour éliminer les signaux des détec- teurs élémentaires situés sur ou à proximité de l'image du So- leil lorsque celle-ci se forme sur la matrice 130 à transfert de charges. Il s'agit essentiellement d'un détecteur de crête de niveau S3 qui permet de répérer sur une ligne d'éléments 2649 1 96 photosensible donnée la position du Soleil et d'éliminer sys- tématiquement en sortie de la lecture les coordonnées des élé- ments photosensibles compris dans une sous-matrice entourant lrimage du Soleil. Pour une ligne donnée, ladite sous-matrice correspond & la zone hachurée 231 représentée sur le détecteur de crête 230. Après avoir été stockées en mémoire, les coordon- nées xi, yi des points de transition Terre-espace retenus sont traités par des moyens 300 de calcul qui comprennent une unité 310 de calcul, selon une méthode de moindres carrés par exem- ple, des coordonnées xo, yo du centre du cercle de diamètre connu (rayon apparent R de la terre) passant au mieux par les- dits points de transition. On peut améliorer la précision de ce résultat en éliminant les points détectés par erreur. Ceci est effectué par les moyens 320, 330 de discrimination qui sont constitués d'un module 320 de calcul de la distance d'un point de transi- tion retenu au centre du cercle précédemment déterminé, et d'un module 330 de comparaison qui supprime les points dont la distance au centre C calculé est sensiblement différente du rayon R du disque terrestre. Un nouveau calcul des coordonnées du centre est ensuite effectué après élimination des points aberrants. 2649 1 96 REVENDICATIONS 1. Senseur (100) d'horizon terrestre utilisant des éléments photosensibles à transfert de charges pour détecter les transitions entre la Terre et l'espace sur une image (120) mettant en oeuvre, dans le domaine allant du proche infrarouge à l'ultraviolet, le rayonnement solaire réfléchi par la Terre ainsi que le rayonnement solaire diffusé par l'atmosphère ter- restre, caractérisé en ce que, lesdits éléments photosensibles à transfert de charges étant constitués en une matrice bidi- mensionnelle (130) de détecteurs élémentaires, des moyens (200) de lecture déterminent les coordonnées (xi,yi) des dé- tecteurs élémentaires situés auxdites transitions Terre-espa- ce, et en ce que des moyens (300) de calcul en déduisent la position (xo, yo) du centre de la Terre dans le référentiel de la matrice (130). 2. Senseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (300) de calcul disposent de moyens (320,330) de discrimination pour éliminer les détecteurs élé- mentaires retenus dont la distance au centre de Terre calculé est sensiblement différent du rayon du disque terrestre. 3. Senseur selon l'une des revendications 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que lesdits moyens (200) de lecture disposent de moyens (230) de masquage pour éliminer les signaux prove- nant des détecteurs élémentaires contenus dans une sous-matri- ce (231) entourant l'image du Soleil lorsque celle-ci se ferme sur la matrice (130) de détecteurs élémentaires.