Brevet FR2759974A1 — publié le 19980828

PROCEDE ET SYSTEME INTEGRE D'ACTIONNEUR INERTIEL ET DE SENSEUR DE VITESSES ANGULAIRES D'UN SATELLITE La présente invention concerne le domaine des mesures gyroscopiques réalisées à bord de satellites. Elle se rapporte à des satellites dont l'attitude est contrôlée par des moyens comprenant au moins une roue inertielle. Pour mesurer les vitesses angulaires d'un satellite, on a habituellement recours à des capteurs inertiels ou gyromètres. Ces gyromètres représentent un coût non négligeable. En outre, ces équipements sont fréquemment l'objet de pannes pouvant être critiques pour la continuité de la mission. Un but de la présente invention est d'intégrer les fonctions d'actionneur cinétique d'une roue inertielle et de capteur cinétique d'un gyromètre, afin de limiter le coût et d'augmenter la fiabilité du système de contrôle d'attitude du satellite. L'invention propose ainsi n procédé de mesure de vitesses angulaires d'un satellite dont l'attitude est stabilisée par des moyens comprenant au moins une roue inertielle pivotant autour d'un axe de rotation, le satellite étant pourvu de moyens d'alignement de l'axe de rotation de la roue inertielle avec un premier axe fixe par rapport au satellite. Selon l'invention on mesure des couples de réaction au basculement exercés sur la roue inertielle par les moyens d'alignement, et on calcule les vitesses angulaires du satellite autour d'un second et d'un troisième axes perpendiculaires au premier axe sur la base des couples mesures. On réalise ainsi les mesures gyroscopiques selon deux axes sans avoir à prévoir une masse tournante distincte de la roue inertielle de stabilisation d'attitude. On remplace donc la fonction gyrométrique séparée, dont le coût est significatif, par une "sous-fonction" beaucoup plus simple et moins coûteuse de la fonction actionneur de la roue inertielle. La suppression de la toupie, du palier et du moteur du gyromètre élimine les risques de pannes assez fréquemment observées sur ces équipeents. Par exemple, sur une plate-forme géostationnaire stabilisée par moment cinétique embarqué de type 0-DOF, le procédé permettra la mesure des vitesses de roulis ("second axe") et de lacet ("troisième axe"), la roue pivotant autour de l'axe de tangage ("premier axe") du satellite. Un autre aspect de la présente invention se rapporte à un système de mesure de vitesses angulaires d'un satellite comprenant des moyens de stabilisation d'attitude qui comportent au moins une roue inertielle pivotant autour d'un axe de rotation et des moyens d'alignement de l'axe de rotation de la roue inertielle avec un premier axe fixe par rapport au satellite. Le système comprend des moyens de mesure de couples de réaction au basculement exercés sur la roue inertielle par les moyens d'alignement, et des moyens de calcul des vitesses angulaires du satellite autour d'un second et d'un troisième axe perpendiculaire au premier axe sur la base des couples mesures. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est un schéma d'une roue cinétique à palier électromagnétique actif équipée pour la mise en oeuvre de la présente invention - la figure 2 est une vue schématique d'un satellite équipé d'une roue cinétique à palier passif mettant en oeuvre la présente invention ; et - la figure 3 est une vue de dessous schématique du stator de la roue de la figure 2. La figure 1 montre une roue cinétique 6 utilisée pour contrôler l'attitude d'un satellite. A titre d'illustration, on supposera que l'axe de rotation de la roue 6 est orienté parallèlement à l'axe de tangage Z du satellite. Un moteur non représenté entraîne la roue 6 pour lui donner une vitesse de rotation n calculée par le système de contrôle d'attitude du satellite. La roue 6 est une roue à palier électromagnétique actif, par exemple de type TELDIX MWX. Ce palier sans frottement est actif suivant cinq degrés de liberté translation parallèlement à son axe, deux translations radiales et deux basculements (c'est-à-dire des petites rotations autour de deux axes perpendiculaires à l'axe de rotation de la roue). Un système d'asservissement 7 contrôle la position de la roue au moyen de capteurs et d'actionneurs électromagnétiques. La figure 1 montre ainsi, à titre d'exemple, quatre actionneurs 8-11 consistant en des électroaimants auxquels le système d'asservissement 7 délivre des consignes de courant de i8-i1l, et qui servent à maintenir la position axiale de la roue ainsi que des basculements nuls. Les actionneurs radiaux ne sont pas représentés car ils ne sont pas concernés directement par l'invention. Le palier actif comporte encore un capteur de position axiale non représenté, des capteurs de position radiale non représentés, et deux capteurs de basculement 12, 13. Le capteur 12 est sensible à l'angle a de basculement de la roue 6 autour de l'axe de roulis X du satellite, tandis que le capteur 13 est sensible à l'angle ss de basculement de la roue 6 autour de l'axe de lacet Y du satellite. Dans l'exemple représenté, les électroaimants 8 et 9 sont diamétralement opposés et situés parallèlement à l'axe de roulis X, et les électroaimants 10, 11 sont diamétralement opposés et situés parallèlement à l'axe de lacet Y du satellite. Chaque électroaimant 8, 9, 10, 11 applique sur la roue une force proportionnelle au courant 18, Ig, I1o, Ill qui le traverse. Ainsi, la force de maintien axial de la roue 6 est proportionnelle à un courant de contrôle I8+Ig+I10+Ill, le couple C a de réaction au basculement autour de l'axe de roulis X (qui tend à annuler l'angle de basculement a suivant cet axe) est proportionnel à un courant de contrôle 110-111, et le couple de réaction au basculement exercé sur la roue 6 suivant l'axe de lacet Y (qui tend à annuler l'angle de basculement ss suivant cet axe) est proportionnel à un courant de contrôle Ig-I8. Le système 7 applique une loi d'asservissement connue aux angles a, ss mesurés pour calculer des valeurs de consigne des couples de réaction au basculement Ca, C. Il calcule d'autre part une valeur de consigne de l'effort axial à appliquer pour maintenir la position axiale de la roue. I1 déduit les valeurs de consigne i8+ig+i10+ill, i10i11 et ig-i8 des trois courants de contrôle pour alimenter les électroaimants 8, 9, 10, 11. Les courants I8,I9,I10,I11 qui circulent effectivement dans les électroaimants 8, 9, 10, 11 sont mesurés de façon précise et fournis à une unité 14 de mesures gyrométriques. Celle-ci en déduit les vitesses instantanées de rotation #X et #y du satellite autour des axes de roulis et de lacet. Ces vitesses sont calculées selon C K(I8-I9) #X = ~ ss = ~~~~~~~ C&alpha; K(I10 I11) Y J# J# où C&alpha; et Css désignent respectivement les valeurs mesurées des couples de réaction au basculement exercés selon les axes de roulis et de lacet, K désigne l'efficacité des actionneurs en basculement (Nm/A), J désigne le moment d'inertie axiale de la roue, et Q sa vitesse de rotation mesurée par un capteur tachymétrique 15. Dans le mode de réalisation illustré par les figures 2 et 3, la roue inertielle 16 est une roue à palier fixe 17, par exemple à roulements à billes. Le palier 17 sert au montage de la roue 16 sur un stator 26 fixe par rapport au satellite, et à orienter son axe de rotation selon l'axe de tangage Z du satellite. Trois capteurs de force 18, 19, 20, tels que des jauges piézoélectriques, sont disposés entre le stator 26 et le corps du satellite, pour permettre la mesure des couples de réaction au basculement Ca, C. Ces capteurs 18, 19, 20 sont situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe Z de la roue, à une même distance r de l'axe de la roue, à intervalles angulaires de 1200. Le plan des capteurs est de préférence celui du centre de gravité de la roue 6. Les trois valeurs d'effort F18, F19, F20 mesurées par les capteurs 18, 19, 20 sont fournies à une unité 24 de mesures gyroscopiques, qui en déduit les valeurs des couples Ca, C de réaction au basculement autour des axes de roulis X et de lacet Y et les vitesses angulaires #X, oy du satellite selon ces axes C# r#3 (F19 - F20) #X = - = j# 2J# r(F20+F19-2F18) Y j# 2J# REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de vitesses angulaires d'un satellite dont l'attitude est stabilisée par des moyens comprenant au moins une roue inertielle (6;16) pivotant autour d'un axe de rotation, le satellite étant pourvu de moyens (7-13;17) d'alignement de l'axe de rotation de la roue inertielle avec un premier axe (Z) fixe par rapport au satellite, caractérisé en ce qu'on mesure des couples (Ca,Css) de réaction au basculement exercés sur la roue inertielle par les moyens d'alignement, et en ce qu on calcule les vitesses angulaires (y) du satellite autour d'un second et d'un troisième axes (X,Y) perpendiculaires au premier axe sur la base des couples mesurés. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les vitesses angulaires du satellite (OX et oy autour des second et troisième axes (X,Y) sont respectivement calculées selon C# #X = (0 = cl où C a et Css désignent respectivement les valeurs mesurées des couples de réaction au basculement exercés selon les second et troisième axe (X,Y), J désigne le moment d'inertie axiale de la roue (6), et Q désigne la vitesse de rotation de la roue. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'alignement (7-13) consistent en un palier magnétique actif comprenant des capteurs (12,13) de mesure d'angles de basculement (a,ss) de la roue inertielle (6) autour des second et troisième axes (X,Y), des actionneurs électromagnétiques (8 à 11) qui exercent sur la roue des couples de réaction (Ca,Css) au basculement proportionnels à deux courants de contrôle (I10 I111 Ig-I8), et des moyens (7) de calcul de valeurs de consigne (i1o-ill, ig-i8) des deux courants de contrôle sur la base des angles de basculement mesurés, et dans lequel la mesure des couples de réaction au basculement consiste à mesurer les courants de contrôle appliqués par les actionneurs. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les moyens d'alignement (17) consistent en un palier passif qui immobilise l'axe de rotation de la roue (6) sur ledit premier axe (Z), et dans lequel la mesure des couples de réaction (Ca,Css) au basculement consiste à mesurer des couples exercés entre le palier et le satellite selon les second et troisième axes (X,Y). 5. Système de mesure de vitesses angulaires d'un satellite comprenant des moyens de stabilisation d'attitude qui comportent au moins une roue inertielle (6) pivotant autour d'un axe de rotation et des moyens (7-13;17) d'alignement de l'axe de rotation de la roue inertielle avec un premier axe (Z) fixe par rapport au satellite, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure des couples de réaction au basculement (Ca,Css) exercés sur la roue inertielle par les moyens d'alignement, et des moyens (14;24) de calcul des vitesses angulaires (oX, oy) du satellite autour d'un second et d'un troisième axes (X,Y) perpendiculaires au premier axe sur la base des couples mesures. 6. Système selon la revendication 5, dans lequel les vitesses angulaires du satellite oX et oy autour des second et troisième axes (X,Y) sont respectivement calculées selon C XX JQ c a Y Jn où C a et Css désignent respectivement les valeurs mesurées des couples de réaction au basculement exercés selon les second et troisième axe (X,Y), J désigne le moment d'inertie axiale de la roue (6), et n désigne la vitesse de rotation de la roue. 7. Système selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les moyens d'alignement (7-13) consistent en un palier magnétique actif comprenant des capteurs (12,13) de mesure d'angles de basculement (a,ss) de la roue inertielle (6) autour des second et troisième axes (X,Y), des actionneurs électromagnétiques (8 à 11) qui exercent sur la roue des couples de réaction au basculement (Ca,Css) proportionnels à deux courants de contrôle (110-111, Ig-I8), et des moyens (7) de calcul de valeurs de consigne des deux courants de contrôle sur la base des angles de basculement mesurés, et dans lequel la mesure des couples de réaction au basculement consiste à mesurer les courants de contrôle appliqués par les actionneurs. 8. Système selon la revendication 5 ou 6, dans lequel les moyens d'alignement (17) consistent en un palier passif qui immobilise l'axe de rotation de la roue (6) sur ledit premier axe (Z), et dans lequel la mesure des couples de réaction au basculement (Ca,Css) consiste à mesurer des couples exercés entre le palier et le satellite selon les second et troisième axes (X,Y). 9. Système selon la revendication 8, dans lequel les couples (Ca,Css) sont mesurés au moyen d'au moins trois capteurs de force (18,19,20) situés dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (Z) de la roue (6), le centre de gravité de la roue étant situé dans ce plan.