Brevet FR2693282A1 — publié le 19940107

J- "Système et procédé pour commander l'attitude d'un engin spatial" La présente invention concerne des systèmes de comman- de d'attitude des engins spatiaux et elle a trait, plus par- ticulièrement, à des systèmes de commande d'attitude utili- lisant des ensembles de roues ou volants de réaction. La commande d'un engin spatial peut concerner la posi- tion dans l'espace de l'engin, ce qui est connu également comme le maintien en position stationnaire dans le cas d'un engin spatial géosynchrone, et comprend égal- -1 t la comman- de d'attitude qui établit l'orientation des diverses faces de l'engin spatial par rapport à un autre corps La commande de la position dans l'espace de l'engin spatial nécessite l'accélération de l'engin dans son ensemble dans une direc- tion désirée, ce que l'on obtient par éjection d'une matière dans la direction opposée grâce à l'utilisation de propul- seurs La commande d'attitude met en jeu l'application de couples à l'engin spatial pour obtenir une orientation ap- propriée. On peut appliquer des couples à un engin spatial grâce à une éjection de matière par des propulseurs en divers en- droits de l'engin spatial afin de créer ces couples On peut effectuer cette opération, par exemple, à l'aide de propul- seurs chimiques à propergol ou monergol, avec ou sans utili- sation supplémentaire d'électricité De tels propulseurs présentent l'inconvénient majeur que la réserve de matière éjectable, c'est-à-dire de propergol, peut s'épuiser, ce qui met fin à la possibilité d'effectuer les manoeuvres de coin- mande d'attitude Les propulseurs chimiques présentent éga- lement l'inconvénient d'être difficiles à moduler pour ef- fectuer des manoeuvres de commande fine d'attitude Un autre procédé pour appliquer des couples à un engin spatial en vue d'une commande d'attitude met en jeu l'utilisation de bobi- nes magnétiques qui sont associées à l'engin spatial et qui, lorsqu'elles sont excitées, créent des champs magnétiques réagissant avec le champ géomagnétique de la terre pour en- gendrer des couples Le dispositif générateur de couples magnétiques présente l'avantage d'être excité par de l'élec- tricité, ce qui, sur un engin spatial équipé de panneaux so- laires, constitue un moyen renouvelable Toutefois, l'appli- cation de couples magnétiques présente l'inconvénient de dé- pendre non seulement du courant circulant dans les bobines mais également du champ magnétique de la terre, lequel varie d'un endroit à l'autre et d'un moment à l'autre, ce qui rend difficile l'obtention d'une commande précise De plus, l'ap- plication de couples magnétiques procure des niveaux de cou- ples relativement modestes qui ne conviennent pas pour un pivotement rapide, comme cela peut être nécessaire pour re- positionner les antennes ou des capteurs, ou pour reprendre une position initiale après des perturbations transitoires. L'application de couples à l'engin spatial peut égale- ment être obtenue à l'aide de roues de réaction ou de roues ou volants d'inertie, dont l'inertie réagit pour appliquer au corps un couple lorsque la roue est accélérée En géné- ral, les roues de "réaction" engendrent des couples par des accélérations qui font tourner sur elle-même la roue dans l'un ou l'autre sens, en passant par une vitesse angulaire nulle à certains moments tandis que les roues d'inertie sont " entraînées en permanence " a une vitesse angulaire rela- tivement élevée, et sont accélérées et décélérées selon les besoins, tandis que la rotation est maintenue dans un seul sens De telles roues présentent les avantages d'une com- commande précise et d'un fonctionnement Dar l'électricité. Pour avoir un effet important de couple, la roue ou volant doit avoir une masse importante, de grande dimension, ou être capable de vitesses angulaires élevées En raison des contraintes de poids sur les engins spatiaux, il est souhai- table de réduire à un minimum la masse de la roue La réduc- tion de la masse ou du diamètre de la roue diminue l'inertie et augmente les vitesses angulaires nécessaires pour une application de couple approprié à l'engin spatial On doit trouver un compromis entre les divers paramètres en fonc- tion de la mission de l'engin spatial Comme entre les roues d'inertie et les roues de réaction, la roue de réac- tion est sujette à des erreurs d'attitude dues aux effets de frottement des paliers qui apparaissent à la vitesse angu- laire nulle et au voisinage de cette vitesse, comme décrit dans le brevet US 5 020 745, on a concu diverses combinai- sons pour corriger les effets du frottement dans une roue de réaction, comme par exemple le système décrit dans la demande de brevet US NI 07/732 963 La roue d'inertie pré- sente l'avantage que les paliers de la roue ont tendance à être plus fiables que les paliers d'une roue de réaction, ce que l'on pense être dû au maintien d'un filmi continu de lubrifiant sur les surfaces des paliers grâce au mouvement rapide du palier La roue d'inertie évite également le pro- blème du frottement des paliers aux faibles vitesses par le fait aue la roue est entraînée à une vitesse telle que la roue n'atteint jamais une vitesse angulaire nulle Toute- fois, ceci réduit la marge potentielle de commande en compa- raison de celle offerte par la roue de réaction, car la roue de réaction peut être accélérée à la fois dans le sens po- sitif et dans le sens négatif tandis que la roue d' inertie ne peut pas prendre des vitesses positives et négatives. Quand on utilise des roues de réaction ou des roues d'inertie pour une commande d'attitude, on constate que les exigences de commande peuvent se traduire par une augmenta- tion ou une diminution périodique moyenne continuelle de la vitesse de la roue On comprendra cet état de chose de la façon la plus facile si on se rapporte à un satellite de communication géosynchrone qui est orienté vers la terre et qui doit effectuer une rotation complète toutes les 24 heu- res pendant qu'il tourne sur orbite autour de la terre, afin de maintenir une face dirigée vers cette dernière. Le couple nécessaire pour effectuer cette rotation lente continue du corps de l'engin spatial est obtenu par une ac- célération ou une décélération continue d'une roue dont l'axe est perpendiculaire au plan orbital La vitesse de la roue ne peut pas continuer à augmenter indéfiniment car les effets de la force centrifuge entraîneraient une désintégra- tion Dans le cas d'une roue d'inertie, on ne peut pas per- mettre à la vitesse de celle-ci de diminuer jusqu'à une va- leur angulaire nulle Il en résulte aue l'on applique une procédure connue sous la désignation de " déchargement " de la roue, procédure dans laquelle des propulseurs ou des gé- nérateurs de couples magnétiques sont excités pendant des périodes de temps relativement courtes afin d'engendrer des couples qui, s'ils sont appliqués au corps de l'engin spa- tial, permettent à la vitesse de la roue de reprendre sa valeur nominale Un tel agencement utilisant des dispositifs générateurs de couples magnétiques est décrit, par exemple, dans la demande de bre vet NI 07/488 919. Les coûts très importants d'investissement pour réali- ser les satellites et pour les mettre en orbite nécessitent que la longévité envisagée de l'engin spatial soit la plus longue possible afin que l'on obtienne des retombées écono- miaues appropriées pendant la durée de vie utile de cet en- gin A cette fin, on minimise la masse de l'engin de telle sorte que la quantité maximale de pro Dergol consommable destiné aux propulseurs puisse être mise sur orbite et on utilise divers agencements redondants, a la fois dans l'en- gin spatial et dans sa charge utile, pour être sûr qu'une seule panne n'entraîne pas l'interruption de la mission. Parmi ces agencements redondants on trouve l'utilisation d'un nombre de roues de réaction ou d'inertie qui dépasse le nombre minimal nécessaire pour commander l'attitude de l'en- gin spatial Par exemple, dans un engin spatial stabilisé suivant trois axes, le nombre minimal de roues nécessaire pour une commande sur trois axes est égal à trois, une roue étant disposée le long de chaque axe de commande Toutefois, pour tenir compte de la possibilité d'une défaillance d'une roue individuelle, on peut utiliser auatre ou plus de quatre roues ayant des axes inclinés les uns par rapport aux au- tres Bien au'un tel agencement assure une redondance, il augmente notablement la complexité du système de commande par le fait que l'accélération commandée de l'une quelconque des roues se traduit par l'application de couples au corps de l'engin spatial autour de deux ou plus de deux axes prin- cipaux En outre, quand on utilise quatre ou plus de quatre roues pour une commande suivant trois axes, la quantité d'énergie électrique appliquée aux roues peut dépasser le minimum nécessaire pour la commande Un agencement permet- tant de commander les vitesses de roues dans un système comprenant quatre ou plus de quatre roues afin de minimiser la consommation d'énergie est décrit dans le brevet US N 058 835. Un système de commande d'attitude d'engin spatial selon la présente invention comprend une roue de réaction appli- quant un couple autour d'au moins un axe sous la commande d'un signal de commande de couple de roue Un signal repré- sentatif de la vitesse de la roue est comparé avec au moins un seuil pour indiquer si oui ou non la vitesse se trouve dans un régime o un film de lubrifiant est maintenu, ou si oui ou non la vitesse a chuté jusqu'à un niveau o il se peut que la lubrification ne soit plus efficace Si la vi- tesse de la roue est élevée, le système de commande d'atti- tude classique qui engendre le signal de commande de cou- ple de roue continue à fonctionner d'une manière tradition- G nelle Ouand la vitesse de la roue chute en dessous du ni- veau de seuil, un dispositif générateur de couple, associé au corps de l'engin spatial, est mis en action pour fournir un couple qui permet à la vitesse de la roue d'augmenter jusqu'à un niveau supérieur au niveau de seuil Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, un signal repré- sentatif du couple magnétique est soustrait du signal de commande de roue pour modifier la commande de couple de roue, de manière à réduire ainsi l'erreur d'attitude lors- que la roue est accélérée Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif générateur de couple est un générateur de couple magnétique et le champ géomagnétique local est détecté ou obtenu à partir d'un modèle de champ magnétique. Selon une première de ces caractéristiques, le système de commande d'attitude d'engin spatial selon la présente in- vention comprend: un corps d'engin spatial; un moyen d'ap- plication de couple couplé audit corps pour appliquer un couple à ce corps sous la commande d'un signal de commande de couple de corps; un moyen formant roue de réaction couplé audit corps pour être entraîné en rotation autour d'un axe afin d'appliquer un couple au corps sous la commande d'un signal de commande de couple de roue, la roue de réaction étant entraînée, de façon souhaitable, au dessus d'une vi- tesse angulaire minimale afin de maintenir une lubrification appropriée des paliers; un moyen de détection de vitesse de roue de réaction couplé à la roue de réaction pour engendrer des signaux de vitesse en réponse à la vitesse de la roue de réaction; un moyen de détection couplé au corps pour déter- miner l'attitude détectée de l'engin spatial autour dudit axe; un moyen de génération de signaux d'erreur couplé audit moyen de détection pour comparer 1 'attitude détectée avec une attitude désirée et pour engendrer un signal d'er- reur en réponse à la différence entre ces attitudes; un mo- yen de commande de roue couplé au moyen de détection d'er- reur et à la roue de réaction pour traiter le signal d'er- reur afin d'engendrer le signal de commande de couple de roue et pour appliquer ce signal à la roue de réaction; un moyen de comparaison à seuil couplé au moyen de détection de vitesse pour comparer les signaux de vitesse avec au moins une valeur de limite afin d'engendrer des signaux de comparaison représentatifs d'au moins l'état des signaux de vitesse par rapport à ladite limite; et un moyen de géné- ration de signaux de commande d'application de couple couplé audit moyen de comparaison à seuil et audit moyen d'appli- cation de couple pour engendrer le signal de commande de couple de corps en réponse aux signaux de comparaison afin d'engendrer un couple de corps tendant à amener la roue de réaction à conserver un régime de vitesse élevée. Dans ce système, selon d'autres caractéristiques, le moyen d'application de couple comprend un moyen d'applica- tion de couple magnétique; un moyen de détermination de champ magnétique local est prévu pour engendrer les signaux représentant le champ magnétique local; le moyen d'applica- tion de couple magnétique comprend une pluralité de disposi- tifs générateurs de champs magnétiques inclinés les uns par rapport aux autres; le moyen de génération de signaux de commande d'application de couple comprend un moyen de répar- tition de couple magnétique couplé à chaque dispositif géné- rateur de couple et au moyen de détermination de champ ma- gnétique local pour attribuer le couple demandé par le si- gnal de commande d'application de couple parmi les disposi- tifs générateurs de couples précités; le moyen de détection comprend un moyen de détection du globe terrestre. Selon une autre caractéristique, le système de commande d'attitude d'engin spatial comprend, en outre: un moyen de traitement de loi de commande comprenant au moins des com- posantes proportionnelle et intégrale, couplé au moyen de génération de signaux d'erreur pour engendrer un signal Pl (proportionnel-intégral); un moyen de sommation comprenant une borne d'entrée non inverseuse couplée au moyen de trai- tement de loi de commande et comprenant également une borne d'entrée inverseuse couplée de manière à recevoir un signal de couple magnétique représentatif du couple magnétique cotm- mandé autour dudit axe, afin d'effectuer la différence entre le signal Pl et le couple magnétique commandé afin d'engen- drer le signal de commande de couple de roue; et le généra- teur de signal de commande de couple comprend, en outre, un moyen pour engendrer le signal de couple magnétique. Selon d'autres caractéristiques encore, le moyen de dé- tection de vitesse comprend, en outre: un moyen de généra- tion de signaux d'erreur d'énergie cinétique couplé pour multiplier les signaux de vitesse par l'inertie de l'arbre de réaction, grâce à quoi les signaux de vitesse représen- tent l'erreur d'énergie cinétique; le moyen de comparaison à seuil compare les signaux de vitesse représentant l'er- reur d'énergie cinétique avec une valeur de limite d'énergie cinétique pour engendrer lesdits signaux de comparaison; le moyen de comparaison à seuil comprend ladite valeur de limii- te en tant que valeur de limite inférieure et une valeur de limite supérieure se situant à une amplitude des signaux de vitesse supérieure à celle des valeurs de limite inférieure et engendre lesdits signaux de comparaison représentant l'état des signaux de vitesse par rapport aux valeurs de li- mites supérieure et inférieure; et le moyen de génération de signaux de commande d'application de couple comprend un mo- yen sensible aux signaux de comparaison précités pour en- gendrer le signal de commande de couple de corps avec une amplitude et une polarité telles que la vitesse de la roue soit augmentée lorsque les signaux de vitesse sont inféri- eurs à la valeur de limite inférieure et soit diminuée lors- que les signaux de vitesse sont supérieurs à la valeur de limite supérieure. L'invention a également pour objet un procédé pour com- mander l'attitude d'un engin spatial autour d'un axe de -9 l'engin spatial, ce procédé comprenant les étapes consis- tant: à détecter l'attitude autour dudit axe pour engendrer un signal d'attitude; à traiter ledit signal d'attitude pour engendrer un signal d'erreur représentatif de l'écart de l'attitude de l'engin spatial par rapport à une l'attitu- de désirée; à traiter le signal d'erreur Dar une loi de commande comprenant au moins des composantes proportionnel- le et intégrale de manière à produire un signal Pl (pro- portionnel-intégral); à faire tourner la roue de réaction autour d'un axe qui est au moins parallèle à l'axe de l'en- gin spatial sous la commande d'un signal de commande de cou- ple de roue; à traduire ledit signal Pl en un signal de commande de couple de roue appliaué à ladite roue de réac- tion; à détecter la vitesse de la roue à réaction pour en- gendrer un signal de vitesse proportionnel à la vitesse de ladite roue de réaction; à comparer le signal de vitesse avec une valeur de seuil de vitesse pour engendrer un signal de mode indicatif des vitesses de la roue au moins au dessus et au dessous de ladite valeur de seuil; et à engendrer, C" l'aide d'autres moyens que ladite roue, un couple de l'engin spatial autour dudit axe d'engin spatial lorsque le signal de mode indique que la vitesse de la roue est inférieure au- dit seuil, ledit couple ayant une polarité telle que la vitesse de la roue à réaction augmente Selon d'autres ca- ractéristiques du procédé de commande d'attitude d'engin spatial de la présente invention, l'étape de génération de couple comprend l'étape consistant à engendrer le couple en proportion de l'amplitude du signal de vitesse; l'étape de détection de la vitesse comprend l'étape consistant à engen- drer un signal représentatif de la vitesse angulaire de la roue de réaction et à multiplier le signal représentatif de la vitesse angulaire par un signal représentant l'inertie de la roue de réaction de manière à engendrer ledit signal de vitesse. Selon une autre caractéristique encoret le procédé de commande d'attitude d'engin spatial selon la présente in- vention comprend, en outre, l'étape de génération d'un si- gnal auxiliaire représentatif du couple de l'engin spatial autour dudit axe, tel qu'engendré à l'aide des moyens pré- cités autres que ladite roue; et l'étape de traduction com- prend l'étape consistant à soustraire du signal Pl le si- gnal de couple auxiliaire afin d'engendrer le signal de commande de couple de roue; l'étape de génération de couple par des moyens autres que la roue comprend l'étape de géné- ration de couple magnétique; et la génération de couple magnétique comprend l'étape consistant à mesurer le champ géomagnétique local. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective isométrique sim- plifiée d'un engin spatial décrivant une orbite autour d'un corps céleste; la figure 2 est un schéma synoptique simplifié d'un dispositif de commande d'attitude selon un seul axe, réalise conformément à la présente invention et pouvant être utilisé dans l'engin spatial de la figure 1; la figure 3 a est un organigramme simplifié du traite- ment logique dans des parties de l'agencemrent de la figure 2 et la figure 3 b est une variante d'une partie de cette figu- re 2; la figure 4 est un organigramme simplifié du traitement logique d'une autre partie de l'agencement de la figure 2; et les figures 5 a et 5 b sont des graphiques de simulation de vitesses angulaires de roue de réaction pour un système de commande d'attitude avec et sans l'invention, respective- ment. Sur la figure 1, un engin spatial, référencé 8 dans son ensemble, décrit une orbite autour d'un corps céleste 10, tel que la terre L'engin spatial 8 comprend un corps 12 Il présentant des axes associés x, y et z 14, 16 et 18, res- pectivement Les axes x et y se trouvent dans le plan orbital, l'axe x étant dirigé vers le corps 10 et l'axe z étant perpendiculaire au plan orbital Un capteur détectant la terre, illustré en 20, et dont la ligne de visée 21 est généralement parallèle à l'axe x, fournit des informations relatives au roulis de l'engin spatial (rotation autour de l'axe y) et au tangage (rotation autour de l'axe z) Trois ensembles de bobines 22, 24 et 26 de génération de couple, perpendiculaires les unes aux autres, sont montés sur le corps 12 de l'engin spatial L'énergie électrique destinée au dispositif 20 détectant la terre, aux bobines 22, 24 et 26, et aux autres matériels électriques associés à l'engin spatial 8 et à sa charge utile, est fournie par une paire de panneaux solaires, représentés en 28 a et 28 b Un magnéto- mètre 30 est associé à l'engin spatial 8 pour détecter les champs magnétiques locaux, et une charge utile, représentée en partie par une antenne directionnelle 32, est transpor- tée par l'engin spatial Bien que cela n'ait pas été ex- pressément représenté, l'engin spatial 8 comprend au moins une roue de réaction. La figure 2 est un schéma synoptique simplifié d'un système de commande d'attitude suivant un seul axe, réalise conformément à l'invention et que l'on peut utiliser pour commander l'attitude de l'engin spatial 8 de la figure 1 autour d'un seul axe Sur la figure 2, les éléments corres- pondant à ceux de la figure 1 sont désignés par des réfé- rences identiques Sur la figure 2, le dispositif (ESA) 20 de détection de globe terrestre engendre des signaux repré- sentatifs de l'horizon supérieur et de l'horizon inférieur du globe terrestre tel que vu de l'engin spatial, ces si- gnaux étant appliqués à un dispositif de génération de si- gnaux d'erreur représenté sous la forme d'un bloc 40 Une description d'un tel dispositif de détection de globe ter- restre est donnée dans le brevet US 5 107 434 Le générateur de signaux d'erreur détermine si les signaux d'horizon sont centrés autour de l'axe de ligne de visée 21 associé au dispositif 20 de détection de globe terrestre, et engendre un signal d'erreur sur un chemin 42 de données en vue de son application à un dispositif de commande de roue représenté sous forme d'un bloc 44 Le dispositif 44 de commande de roue, tel que représenté sur la figure 2, comprend un cir- cuit de commande à action proportionnelle, intégrale et dé- rivée (PID) 46, qui reçoit le signal d'erreur et qui, d'une façon connue, engendre sur une voie 48 de données un signal de commande comprenant des composantes proportionnelle, in- tégrale et dérivée Les signaux PID sur le chemin 48 de données sont appliqués à la borne d'entrée non inverseuse (+) d'un circuit de sommation 50 En l'absence d'un signal appliqué à la borne d'entrée inverseuse (-) du circuit de sommation 50 (ou plus exactement quand le signal est nul), le signal PID traverse inchangé le circuit de sommation 50 et apparaît sous la forme d'un signal de commande de couple de roue sur un chemin 52 de données en vue de son applica- tion pour commander une roue de réaction représentée en 54. La roue de réaction 54 se trouve à l'intérieur du corps 12 et est supportée par un ou plusieurs paliers 55, son axe étant au moins parallèle à l'axe y 16 L'accélération ou la décélération de la roue 54 se traduit par conséquent par un couple autour de l'axe y, lequel couple est un couple de roulis. Ouand la vitesse angulaire ou rapidité de la roue de réaction 54 se maintient à de faibles valeurs pendant de longues périodes de temps, le film de lubrifiant (non repré- senté) associé au palier 55 de la roue a tendance à se rom- pre ou, tout au moins, risque de ne pas être distribué sur la surface du palier d'une manière uniforme, ce qui se tra- * duit par une usure accrue avec la possibilité consécutive d'une panne prématurée ou d'un frottement plus grand, ce qui, à son tour, peut se traduire par des erreurs d'attitude dans certaines conditions On rémédie à cet inconvénient, selon la présente invention, à l'aide d'un système de pro- tection de paliers qui commande un générateur de couple de corps pour augmenter la vitesse de la roue, comme on va le décrire ci-après Le système de protection de paliers main- tient l'énergie cinétique de la roue tandis que la boucle ou système de commande d'attitude PID annule les erreurs d'attitude. Le capteur de vitesse de roue ou tachymètre 56 de la figure 2 est associé à la roue de réaction 54 et engendre sur un chemin 58 de données des signaux représentatifs de la vitesse de la roue Les informations relatives à la vi- tesse de la roue comprennent des informations de polarité et de sens de rotation Les signaux de vitesse de roue sont appliqués à un générateur 60 de signaux d'erreur d'énergie cinétique qui convertit la vitesse de la roue en une énergie cinétique équivalente en multipliant la vitesse de la roue par l'inertie estimée de cette roue Le signal d'erreur d'énergie cinétique est appelé une "erreur" parcequ'il re- présente la différence entre l'énergie cinétique totale (la somme de l'énergie cinétique du corps de l'engin spatial et de l'énergie cinétique de la roue de réaction autour d'un axe) et le niveau d'énergie cinétique désiré L'énergie cinétique du corps est le produit de l'inertie estimée du corps autour de l'axe multiplié par la vitesse angulaire es- timée ou mesurée du corps La vitesse réelle du corps peut être obtenue à partir d'un gyroscope ou d'un capteur de dé- tection de terre, et la vitesse estimée du corps peut être obtenue à partir d'un dispositif d'estimation Toutefois, le générateur 60 de signaux d'erreur d'énergie cinétique dérivés engendre le signal d'erreur d'énergie cinétique sur un chemin 62 de données à partir duquel il est appliqué à un comparateur 64 à seuil et à un générateur 68 de signaux de commande de couple Le comparateur 64 a seuil compare le signal d'erreur d'énergie cinétique absolue appliqué à par- tir du chemin 62 de données avec un seuil inférieur, qui représente l'énergie cinétique ou la vitesse minimale que doit représenter la roue, et compare également l'énergie cinétique avec une valeur supérieure représentant la vites- se permise maximale La vitesse de la roue peut donc prendre l'un de trois régimes ou modes différents, cela avec deux polarités Par exemple, la vitesse de la roue peut être tel- le que la vitesse cinétique absolue se situe en dessous du seuilinférieur, ou entre les seuils supérieur et inférieur ou encore peut dépasser le seuil supérieur, et ceci peut avoir lieu dans l'un ou l'autre sens de rotation Les infor- mations de mode sont engendrées sur un chemin 66 de données en vue de leur application à un générateur 68 de signaux de commande de couple. Le générateur 68 de signaux de commande de couple re- coit les signaux de mode en provenance du chemin 66 de don- nées et les signaux d'erreur d'énergie cinétique (amplitude et polarité) à partir du chemin 62 de données, et traite ces signaux Si l'énergie cinétique de la roue se situe entre les seuils supérieur et inférieur, comme indiqué par le signal de mode, le générateur de signaux de commande de cou- ple n'engendre aucune commande de génération de couple, et aucun couple magnétique n'est engendré Ainsi, quand la vi- tesse de la roue n'est ni trop élevée ni trop basse, aucune autre action n'est prise, et une commande classique d'atti- tude continue Quand la vitesse de la roue se situe au des- sus du seuil supérieur, ce qui indique qu'il est nécessaire de réduire la vitesse de la roue d'une manière dite de " dé- chargement", le générateur 68 de signaux de commande de cou- ple engendre, sur un chemin 74 de données, un signal de com- mande de génération de couple magnétique destiné à être appliqué au dispositif 20 de génération de couple ma- gnétique, avec une amplitude qui est fonction de l'amipli- tude du signal d'erreur d'énergie cinétique et, de préfé- rence, proportionnelle à ce signal qui est engendré par le bloc 60, et avec un sens ou polarité qui se traduit par un coup le appliqué au corps, lequel couple tend à réduire la vitesse de la roue 54 Pour que le générateur 68 de signaux de commande de couple commande la grandeur voulue du couple magnétique, il doit recevoir des informations indicatrices du champ géoma- gnétique local avec lequel le champ magnétique du dispositif de génération de couple réagit A cette fin, le ma- gnétomètre 30 engendre sur un chemin 78 de données des si- gnaux qui représentent le champ géomagnétique local et ap- plique ces signaux, par l'intermédiaire du chemin de don- nées, au générateur 68 de signaux de commande de couple. La possibilité d'obtention des informations relatives au champ géomagnétique local permet de traduire l'amplitude de couple voulu en courant électrique moyen requis destiné à être appliqué au dispositif 20 de génération de couple ma- gnétique On obtient souvent ce courant moyen par modulation d'impulsion en durée d'un courant d'amplitude invariable. Une autre possibilité d'utilisation du magnétomètre 30 pour détecter directement le champ géomagnétique consiste à uti- liser un modèle de champ magnétique, représenté par un bloc 76, pour estimer le champ géomagnétique en se basant sur la position orbitale de l'engin spatial. Pendant le fonctionnement de l'agencement de la figure 2 que l'on vient de décrire, le dispositifs 20 de détection de terre balaye l'horizon pour produire des signaux qui, pris en combinaison, représentent l'attitude en roulis de l'engin spatial Le générateur 40 de signaux d'erreur in- terpréte ces signaux de manière à produire un signal d'er- reur qui est traité par une loi de commande dans le dispo- sitif de commande 46, en vue de son application à la roue 54 Les signaux de vitesse de roue sont appliqués au géné- rateur 60 de signaux d'erreur d'énergie cinétique, lequel générateur engendre des signaux qui sont représentatif d'une amplitude et d'un sens et qui sont destinés à être appliqués au comparateur 64 à seuil et au générateur 68 de signaiux de commande de couple Le comparateur 64 à seuil compare la vi- tesse ou l'énergie cinétique de la roue avec les seuils su- périeur et inférieur de deux polarités pour produire des signes de mode Le générateur 68 de signaux de commande de couple n'exerce aucune action lorsque la vitesse de la roue représente une énergie cinétique modérée et, lorsque la vi- tesse de la roue se situe au dessus ou au dessous des seuils, engendre des signaux de commande de couple magnéti- que appropriés destinés au dispositif 20 de génération de couple magnétique pour appliquer un couple à l'engin spatial d'une manière qui modifie l'attitude suffisamment pour que le dispositif 20 de détection de terre, le générateur 40 de signaux d'erreur et le dispositif de commande 46 modifient la vitesse de la roue dans un sens la rapprochant de la pla- ge désirée. Il convient de remarquer qu'il n'est pas nécessaire d'effectuer la conversion de la vitesse de la roue en erreur d'énergie cinétique avant d'effectuer la comparaison de seuil, mais il est commode d'agir ainsi car c'est l'énergie cinétique et non pas la vitesse de la roue qui est comman- dée. Comme on l'a décrit ci-dessus, le système de protec- tion de paliers exerce un couple sur l'engin spatial pour maintenir la vitesse de la roue de réaction dans les limites d'une plage située en dessous de la vitesse de saturation et au dessus d'une vitesse choisie pour assurer une lubrifi- cation adéquate des paliers Provoquer même une petite er- reur d'attitude pour maintenir la vitesse de la roue dans les limites de la plage désirée peut s'avérer indésirable. Un signal prédictif représentant le couple magnétique est produit par le générateur 68 de signaux de commande de cou- ple et est appliqué, par l'intermédiaire d'un chemin de don- nées représenté par une ligne en 82 en traits interrompus, à la borne d'entrée inverseuse du circuit de sommation 50. Le signal représentatif du couple magnétique est soustrait dans le dispositif de sommation 50 du signal PID engendré par le dispositif de commande 46 sur le chemin 48 de don- nées En effet, un signal de commande est appliqué de cette manière à la roue exactement comme si l'attitude de l'engin spatial avait été modifiée mais sans que la modification ré- elle ait eu lieu Une autre facon de voir est de considérer que le signal de couple magnétique appliqué par l'intermédi- aire du chemin 82 de données procure à la boucle PID un avertissement précurseur, de sorte que l'on peut s'attendre à l'application des couples magnétiques Grâce à l'agence- ment de la figure 2, comprenant le chemin 82 de données et le circuit de sommation 50, un signal est appliqué par l'in- termédiaire du chemin 82 de données au circuit de sommation 50 quand le dispositif 20 de génération de couple magnétique est activé, ce qui provoque dans la vitesse de la roue 54 une variation qui contrecarre le couple fourni par le dispo- sitif 20 de génération de couple magnétique Ainsi, la vi- tesse de la roue est amenée plus près de sa valeur nominale sans erreur d'attitude Bien entendu, il peut se produire une certaine erreur d'attitude résiduelle si le couple ma- gnétique estimé, qui est soustrait du signal PID dans le circuit de sommation 50, ne représente pas correctement le couple magnétique réel, mais cette erreur résiduelle est corrigée par le canal de commande PID. La figure 3 a est un organigramme simplifié représentant unelogique ou programme permettant d'effectuer la comparai- son de seuil et la détermination du signal BPERR d'erreur de protection de paliers Sur la figure 3 a, la logique commen- ce à la case de départ 310 et progresse jusqu'à la case 312 à laquelle il est établi qu'une variable WS de vitesse de roue est égale à la vitesse de roue instantanée et qu'une variable WB de vitesse de corps est égale à la vitesse angulaire instantanée du corps La logique passe à une case 314, dans laquelle l'erreur HERR d'énergie cinétique totale est déterminée par sommation de l'énergie cinétique de la roue et de l'énergie cinétique du corps, l'énergie cinétique de la roue étant déterminée par multiplication de WS par l'inertie Iw de la roue et la vitesse cinétique du corps étant le produit de WB multiplié par l'inertie IB du corps. La logique passe ensuite à une case de décision 316, o il est déterminé si la valeur absolue de HERR est inférieure ou égale ( lue du signal d'erreur d'énergie cinétique est supérieure au seuil, la vitesse de la roue est considérée comme étant suf- fisante pour maintenir la lubrification et aucune action n'est requise, après quoi la logique progresse par la sortie NON de la case de décision 316 jusqu'à une autre case de décision 318 dans laquelle la valeur absolue de HERR est ERR comparée avec une valeur de seuil supérieure Si la vitesse de la roue est inférieure à un niveau aui est considéré com- me étant une valeur limite élevée, la logique sort de la case de décision 318 par la sortie NON et progresse par l'intermédiaire d'un chemin logique 366 a jusqu'à une case 324 d'opération logique, dans laquelle il est établi que la valeur instantanée du signal BPERR dce mode ou de protection de paliers est égale à zéro La logique retourne ensuite, par l'intermédiaire d'un chemin logique 326 jusqu'à la case 312, et la procédure est répétée. Dans le cas o la vitesse de la roue est supérieure à la vitesse maximale désirée de cette roue, la logique sort de la case de décision 318 de la figure 3 a par la sortie OUI et progresse, par l'intermédiaire d'un chemin logique 366 b, jusqu'à une case 322 d'opération logique, dans laquelle l'amplitude du signal BP ERR d'erreur de protection de Da- ERR liers est établie à l'amplitude instantanée de HERR telle aue déterminée dans la case 314 La logique passe ensuite de la case 322 sur un chemin 326 et revient à la case 312 Il convient de remarquer que, lorsque la valeur instantanée de BP est établie dans la case 322, l'amplitude de BPERR est ERR est voisine de la valeur maximale possible, étant donné qu'elle représente l'énergie cinétique à une vitesse de roue qui dépasse la vitesse maximale désirée de cette roue Du fait que l'amplitude de BP est utilisée ultérieurement ERR pour établir la valeur du couple de correction, ce couple de correction a une valeur maximale ou une valeur voisine de cette valeur maximale. Dans le cas o la vitesse de la roue est inférieure a la vitesse minimale à laquelle un film de lubrification ap- proprié est maintenu dans les paliers, la logique dans l'or- ganigramme logique de la figure 3 a sort de la case 316 par le chemin OUI et par un chemin logique 366 c arrive à la case 320 Dans la case 320, il est établi que BPERR va- riable est égal à la valeur négative de RR (- la case 326 Il convient de remarquer que, lorsque la vites- se de la roue est voisine de zéro, BPERR est voisin de zéro. Ceci se traduit par l'application de valeurs extrêmement faibles de couple au corps de l'engin spatial, avec pour conséquence, une correction lente de la vitesse de la roue vers la vitesse minimale On peut considérer que les chemins logiques 366 a, 366 b, 366 c figure 3 a correspondent, ensem- ble, au chemin 66 de la figure 2, et que le flot de données logiques dans l'un des trois chemins 366 correspond à l'é- tat du signal de mode. La figure 3 b représente une autre possibilité de circu- lation de la logique pour la case 320 de la figure 3 a Sur la figure 3 b, les éléments correspondant à ceux de la figure 3 a sont désignés par les mêmes références numériques Dans la circulation de la logique de la figure 3 b, la logique circule à partir du chemin 366 c de données logiques jusqu'à une case 338 La case 338 reçoit un signal mémorisé repré- sentant l'énergie cinétique minimale HMIN en provenance d'une case 340 La case 338 représente la détermination de la valeur normalisée N de l'erreur d'énergie cinétique re- lative au seuil d'erreur d'énergie cinétique Du fait que l'erreur d'énergie cinétique est connue comme étant inféri- eure à la valeur de seuil lorsque la logique se trouve dans ce chemin, la valeur de N est toujours inférieure à l'unité. La logique circule de la case 338 jusqu'à une case 342, dans laquelle une valeur de différence /\est calculée comme étant la quantité (l-N) Ce nombre est relativement grand lorsque la vitesse de la roue est voisine de zéro et relativement faible lorsque la vitesse de la roue est plus faible que la vitesse minimale mais n'est pas tout à fait égale à cette vitesse A partir de la case 342 d'opération logique, la logique progresse jusqu'à une autre case 344, dans laquelle il est établi que le signal BP ERR de protection de paliers ERR est égal au produit de \ multiplié par l'énergie cinétique minimale H MIN L'amplitude du signal de correction BPERR de- vient d'autant plus grand que la vitesse ou l'énergie ciné- tique de la roue diminue, de manière que soit effectuée ain- i plus ?apicd&lwflrt ille cor'rect ion. La figure 4 est un organigramme simplifié représentant la circulation de la logique associée au générateur 68 de signaux de commande de couple de la figure 2 Sur la figure 4, la logique commence à une case de départ 410 et progresse jusqu'à une case 412 dans laquelle il est établi qu'une va- riable B est égale au champ géomagnétique instantané, tel qu'établi par le magnétomètre 30 ou les modèles 76 de champ magnétique de la figure 2 A partir de la case 412 de la fi- gure 4, la logique progresse jusqu'à une case 414, qui re- présente le calcul du produit vectoriel de B avec le dipôle M de dispositif de génération de couple magnétique et sa division par l'amplitude de BXM pour produire le couple magnétique unifié MB La case 416 représente la détermina- tion de la demande DlH de génération de couple magnétique en tant que produit scalaire du couple magnétique unifié multi- plié par la valeur instantanée du signal BPERR d'erreur de 3 protection de paliers La case 418 représente la détermina- protection de paliers La case 418 représente la détermina- tion du coefficient d'utilisation ou largeur d'impulsion des moments " sous tension " durant lesquels le dispositif ou bobine de génération de couple magnétique de la figure 2 est alimenté avec un courant normalisé La largeur d'imrpul- sion PC est la valeur absolue du produit scalaire de la demande DH de génération de couple multipliée par un gain proportionnel G, qui représente la relation entre la largeur d'impulsion et le courant résultant, lequel courant peut dé- pendre de la température de la bobine, de la tension de la batterie du système, ou autres paramètres analogues A par- tir de la case 418 d'opération logique, la logique progres- se jusqu'à une case 422, représentant le fonctionnement du dispositif de génération de couple magnétique, et revient en outre au bloc 412 par l'intermédiaire d'un chemin logique 420, pour créer une boucle fermée en vue d'une commande con- tinue du fonctionnement du dispositif de génération de cou- ple magnétique Il convient de remarquer que, pendant les périodes au cours desquelles BPERR est fixé à zéro, la de- mande de génération de couple établie dans la case 416 de la figure 4 est égale à zéro, et la largeur d'impulsion cor- respondante PC déterminée par la case 418 est aussi égale à zéro, avec pour résultat qu'aucun courant ne circule dans le dispositif de génération de couple magnétique. La figure 5 a représente une courbe de la vitesse angu- laire de la roue en fonction du temps pour un système simulé tel aue celui de la figure 2, mais sans le système de pro- tection de paliers de roue de réaction, tandis que la figure b re Drésente les résultats d'une simulation du système com- plet de la figure 2 avec la variante de la figure 3 a Sur la figure 5 a, la courbe 510 se situe, pour la majeure partie, dans une plage comprise entre 6,5 radians par seconde, avec des périodes prolongées, comme par exemple la région comprise entre les temps T 6 et T 8, T 10 à T 12, et T 14 à T 16 pendant lesquels la vitesse angulaire est voisine de zéro. Par contre, la courbe de simulation 512 de la figure 5 b ne présente que des excursions occasionnelles au voisinage de la vitesse angulaire zéro. D'autres modes de réalisation de l'invention apparaî- tront à l'homme de métier Par exemple alors que l'on a dé- crit les dispositifs de génération de couple magnétique uti- lisés pour appliquer les couples au corps, d'autres systèmes de génération de couple, comme par exemple des propulseurs chimiques, pourraient être utilisés L'invention peut être appliquée à des engins spatiaux en orbite autre que les en- gins spatiaux géosynchrones Bien que le dispositif de dé- tection de champs magnétiques soit souhaitable, il n'est pas indispensable Le dispositif de commande peut utiliser des lois de commande autre que les lois PID, par exemple les lois PI. e 3 REVENDICATIONS 1 Système de commande d'attitude d'engin spatial, carac- térisé par le fait qu'il comprend: un corps ( 12) d'engin spatial; un moyen ( 20) d'application de couple accouplé audit corps pour appliquer un couple à ce corps sous la commande d'un signal de commande d'application de couple au corps; un moyen ( 54) formant roue de réaction couplé audit corps, afin d'être entraînée en rotation autour d'un axe pour appliquer un couple audit corps sous la commande d'un signal de commande d'application de couple à la roue, ladite roue de réaction étant entraînée, de façon souhaitable, à une vitesse supérieure à une vitesse angulaire minimale afin de maintenir une lubrification appropriée des paliers; un moyen ( 56) de détection de vitesse de roue de ré- action couplé à ladite roue de réaction pour engendrer des signaux de vitesse en réponse à la vitesse de la roue de réaction; un moyen de détection couplé audit corps pour détermi- ner l'attitude détectée de l'engin spatial autour dudit axe; un moyen ( 60) de génération de signal d'erreur couplé au moyen de détection pour comparer l'attitude détectée avec une attitude désirée et pour engendrer un signal d'erreur en réponse à la différence entre ces attitudes; un moyen ( 44) de commande de roue couplé audit moyen de détection d'erreur et à ladite roue de réaction pour traiter le signal d'erreur afin d'engendrer ledit signal de commande d'application de couple à la roue et pour appliquer ledit signal de commande de couple de roue audit moyen formant roue de réaction; un moyen ( 64) de comparaison à seuil couplé au moyen de détection de vitesse pour comparer les signaux de vitesse avec au moins une valeur de limite afin d'engendrer des si- signaux de comparaison représentatifs d'au moins l'état des- dits signaux de vitesse par rapport à ladite limite; et un moyen ( 68) de génération de signaux de commande d'application de couple couplé audit moyen de comparaison à seuil et audit moyen d'application de couple pour engendrer ledit signal de commande d'application de couple au corps en réponse aux signaux de comparaison afin d'engendrer un cou- ple de corps tendant à faire en sorte que la roue de réac- tion se maintienne à un régime de vitesse élevée. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen ( 20) d'application de couple comprend un moyen d'application de couple magnétique. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre: un moyen ( 30) de détermination de champ magnétique lo- cal pour engendrer des signaux représentant le champ magné- tique local; ledit moyen d'application de couple magnétique compre- nant une pluralité de dispositifs ( 22, 24, 26) générateurs de champ magnétique, inclinés les uns par rapport aux au- tres, et le moyen de génération de signaux de commande d'ap- plication de couple comprenant un moyen de répartition de couple magnétique qui est couplé à chacun des générateurs de couple mutuellement inclinés et au moyen de détermination de champ magnétique local pour répartir parmi les disposi- tifs générateurs de couple le couple demandé par le signal de commande d'application de couple. 4 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de détection ( 20) comprend un moyen de détection de globe terrestre. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de commande de roue comprend, en outre,: un moyen de traitement de loi de commande comprenant au moins des composantes proportionnelle et intégrale, ce moyen étant couplé au moyen de génération de signaux d'erreur afin d'engendrer un signal PI; un moyen de sommation ( 50) comprenant une borne d'en- trée non inverseuse couplée audit moyen de traitement de loi de commande et comprenant également une borne d'entrée in- verseuse couplée de manière à recevoir un signal de couple magnétique représentatif du couple magnétique commandé au- tour dudit axe, afin d'effectuer la différence entre ledit signal Pl et ledit couple magnétique commandé en vue d'en- gendrer le signal de commande de couple de roue; et le générateur ( 68) de signal de commande de couple com- prenant en outre un moyen pour engendrer ledit signal de couple magnétique. 6 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que: le moyen de détection de vitesse comprend, en outre, un moyen ( 40) de génération de signaux d'erreur d'énergie ciné- tique couplé pour multiplier les signaux de vitesse par l'i- nertie de la roue de réaction, grâce à quoi les signaux de vitesse représentent l'erreur d'énergie cinétique; le moyen ( 64) de comparaison à seuil compare les si- gnaux de vitesse représentant l'erreur d'énergie cinétique avec une valeur de limite d'énergie cinétique afin d'engen- drer lesdits signaux de comparaison. 7 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen ( 64) de comparaison à seuil contient ladite valeur de limite en tant que valeur de limite inférieure et une va- leur de limite supérieure se situant à une amplitude desdits signaux de vitesse supérieure à celle desdites valeurs de limite inférieure, et engendre les signaux de comparaison représentant l'état desdits signaux de vitesse par rapport aux valeurs de limites supérieure et inférieure; et le moyen ( 68) de génération de signaux de commande d'application de couple comprend un moyen réagissant auxdits signaux de comparaison en engendrant ledit signal de comman- de de couple de corps avec une amplitude et une polarité telles que la vitesse de ladite roue soit augmentée lorsque les signaux de vitesse sont inférieurs à la valeur de limite inférieure et que la vitesse de ladite roue soit diminuée lorsque les signaux de vitesse sont supérieurs à ladite va- leur de limite supérieure. 8 Procédé pour commander l'attitude d'un engin spatial autour d'un axe de l'engin spatial, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant: à détecter l'attitude autour dudit axe pour engendrer un signal d'attitude; à traiter ledit signal d'attitude pour engendrer un si- gnal d'erreur représentatif de l'écart de ladite attitude par rapport à une attitude désirée; à traiter ledit signal d'erreur par une loi de commande comprenant au moins des composantes proportionnelle et in- tégrale afin de produire un signal Pl ( proportionnel-inté- gral); à faire tourner une roue de réaction autour d'un axe qui est au moins parallèle audit axe de l'engin spatial sous la commande d'un signal de commande de couple de roue; à traduire ledit signal Pl en signal de commande de couple de roue appliqué à ladite roue à réaction; à détecter la vitesse de ladite roue de réaction pour engendrer un signal de vitesse proportionnel à la vitesse de ladite roue de réaction; à comparer ledit signal de vitesse avec une valeur de seuil de vitesse pour engendrer un signal de mode indicatif des vitesses de la roue au moins au dessus et en dessous de ladite valeur de seuil; et à engendrer, à l'aide de moyens autre que ladite roue, un couple destiné à être appliqué à l'engin spatial autour dudit axe de cet engin lorsque le signal de mode indique que la vitesse de la roue est inférieure audit seuil, le couple précité ayant une polarité telle que la vitesse de la roue de réaction augmente. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de génération de couple comprend l'étape consistant à engendrer ledit couple en proportion de l'amplitude dudit signal de vitesse. 10 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'état de détection de la vitesse comprend l'étape consis- tant à engendrer un signal représentatif de la vitesse angu- laire de ladite roue de réaction et à multiplier le signal représentatif de la vitesse angulaire par un signal repré- sentant l'inertie de la roue de réaction pour engendrer le- dit signal de vitesse. 11 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, l'étape consistant à engendrer un signal auxiliaire représentatif du couple de l'engin spatial autour dudit axe, tel qu'engendré par lesdits moyens autres que ladite roue, ladite étape de traduction comprenant les étapes consistant: à soustraire du signal Pl le signal de couple auxi- liaire pour engendrer le signal de commande de couple de roue. 12 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de génération d'un couple à l'aide de moyen autre que ladite roue comprend l'étape consistant à engendrer un couple magnétique. 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape de génération de couple magnétique comprend l'é- tape consistant à mesurer le champ géomagnétique local.