Brevet FR2793569A1 — publié le 20001117

SYSTEME DE POSITIONNEMENT D'UN DISPOSITIF DE MESURE D'UN SATELLITE L'invention concerne un système de positionnement pour un dispositif de mesure qui est prévu pour remplir une mission d'un satellite et qui est en particulier un instrument optique ou un instrument mesurant des forces et des moments d'inertie, par exemple un dispositif de mesure d'accélération. L'invention se rapporte alors notamment à des satellites dont les exigences en matière de précision d'orientation ou de positionnement de l'instrument sont si grandes que le réglage de situation et de position du satellite ne peut plus utiliser des capteurs externes pour obtenir les signaux de mesure nécessaires à cet effet, mais doit exploiter directement les mesures de très haute précision du dispositif de mesure en vue du réglage. La majorité des satellites scientifiques et des satellites d'observation de la terre contiennent des instruments optiques qui sont orientés avec une très haute précision (Pointing) sur un but, par exemple une étoile dans le cas de satellites astronomiques, ou qui effectuent un balayage pour élaborer des vues d'ensemble une région de la terre ou de tout le ciel, par exemple dans le cas de satellites astrométriques. Dans le cas d'un satellite destiné à des balayages, les écarts par rapport à des trajectoires prescrites doivent être minimisés afin d'élaborer des données précises ou alors la trajectoire du satellite doit au moins pouvoir être reconstruite. L'orientation ou la position du dispositif de mesure (c'est-à-dire de l'instrument ou de la charge utile) est soumise à des perturbations extérieures comme le gradient de gravitation, le rayonnement solaire, des perturbations magnétiques et d'éventuels effets plus petits, par exemple les forces de Lorentz. La largeur de bande de ces perturbations qui est à prendre en compte dépend de la précision de mesure à atteindre et elle peut valoir jusqu'à plus de 100 Hz par exemple pour des perturbations magnétiques en cas d'exigences extrêmes. Pour compenser ces perturbations, on utilise habituellement dans le satellite des organes de réglage, comme des roues à réaction, des tuyères agissant de façon discrète ou continue, etc., qui provoquent à nouveau des perturbations internes dans le satellite. La largeur de bande de ces perturbations s'étend des plus petites fréquences dans la plage des fréquences inférieures au mHz jusqu'à des harmoniques qui peuvent avoir, par exemple dans le cas des roues, des fréquences de quelques kHz. Dans le cas des systèmes conçus de manière habituelle, les perturbations mécaniques sont alors transmises directement via la structure du satellite sur l'instrument de mesure. Avec les perturbations externes, elles peuvent conduire à des mouvements de corps rigides de l'instrument de mesure. Dans le cas d'instruments de mesure plus grands (télescopes), il faut prendre en compte en plus du mouvement de corps rigide les mouvements des éléments (optiques) individuels dans l'instrument les uns par rapport aux autres. Ces effets conduisent par exemple dans le cas d'instruments optiques à des mouvements dits de Line of Sight (LOS) et donc entre autres à des images brouillées non souhaitées. Pour remplir la mission, notamment dans le cas de grandes exigences en matière de précision de mesure, il faut donc minimiser l'influence des perturbations ou parasites externes et internes sur le dispositif de mesure. Selon l'état de la technique, les perturbations à haute fréquence sont réduites à l'aide de mesures passives pour atténuer ou isoler les sources de perturbations internes du bus de satellite ou de la charge utile. Comme elles ont seulement une largeur de bande inférieure limitée, on a étudié récemment des structures à action amplifiée pour réduire des vibrations de structures, notamment d'interféromètres spatiaux de très haute précision. Par ailleurs, on a utilisé dans le cas d'expériences en microgravitation des dispositifs magnétiques d'isolation dite Payload. Ces procédés actifs sont tels qu'ils suppriment bien l'influence de perturbations internes sur la charge utile dans la plage des hautes ou des moyennes fréquences. Ce n'est toutefois pas le cas dans la plage des basses fréquences dans laquelle il existe encore une liaison ou un couplage relativement rigide avec la structure de satellite. La charge utile suit donc le mouvement de celle-ci. La grandeur du mouvement de satellite dépend alors de la précision de réglage pouvant être atteinte et dépend donc surtout aussi bien de la qualité du signal mesuré obtenu à partir de la charge utile que de la grandeur des perturbations externes. Comme la grandeur du mouvement de satellite de basse fréquence apparaissant est un inconvénient pour la plupart des applications, des mesures sont nécessaires pour la limiter. L'invention a donc pour objet de proposer un système de positionnement qui est destiné à des dispositifs de mesure de satellites de très haute précision et qui découple largement la charge utile aussi bien des perturbations internes que des perturbations externes dans la plage des basses fréquences. Ce problème est résolu par un système de positionnement qui est destiné à un dispositif de mesure de très haute précision dans un bus de satellite, dans lequel le dispositif de mesure est mobile librement selon des degrés de liberté prescrits à l'intérieur d'un espace prescrit par le bus de satellite, dans lequel le bus de satellite suit le mouvement du dispositif de mesure selon les degrés de liberté prescrits pour faire écran aux forces et moments parasites et qui est caractérisé en ce que le dispositif de mesure produit lui-même ses signaux de référence nécessaires à l'orientation inertielle et s'oriente au moyen d'un premier dispositif de positionnement par rapport à un but de mesure prescrit. Une nette augmentation de la précision par rapport aux systèmes usuels résulte du positionnement sans contact du dispositif de mesure à l'intérieur du corps de satellite, lequel positionnement sans contact est obtenu par le fait que l'orientation inertielle du dispositif de mesure ne s'effectue plus par l'intermédiaire d'organes de réglage primaire du satellite (tuyères, roues, etc.) mais par rapport à la structure du satellite ou au bus du satellite. Comme le bus du satellite contient les sources perturbatrices essentielles, par exemple la plus grande partie du moment dipolaire magnétique du satellite, et comme il protège la charge utile contre de nombreuses perturbations extérieures, par exemple la force répulsive de rayonnement du soleil qui est variable dans le temps, le circuit de réglage de positionnement pour la charge utile peut travailler avec de plus petites amplifications et peut donc atteindre une plus grande précision. En fait, contrairement aux systèmes de satellite conçus selon l'état de la technique, la chaîne d'action a ici été inversée: le dispositif de mesure ne produit pas seulement les signaux mesurés nécessaires à son orientation inertielle mais il effectue aussi lui-même son orientation inertielle comme satellite dans le satellite à l'aide d'un système de réglage approprié. Le bus de satellite suit alors les mouvements du dispositif de mesure comme protection contre des perturbations extérieures du dispositif de mesure. La précision de réglage nécessaire au bus de satellite se déduit de la plage de réglage du dispositif de positionnement de charge utile, c'est-à-dire que plus la plage de réglage du dispositif de positionnement est grande, plus la précision de réglage du satellite peut être inexacte. Les degrés de liberté du découplage entre le bus de satellite et le dispositif de positionnement sont prévus en fonction du cas d'application respectif. Par exemple, dans le cas normal pour un instrument optique, seul un découplage des degrés de liberté en rotation est nécessaire, tandis que les degrés de liberté en translation peuvent être couplés de façon relativement fixe au bus de satellite. En cas de très grandes exigences en matière de précision de mesure, il faut minimiser les variations des forces de gravitation agissant entre le dispositif de mesure et le bus de satellite, ce qui peut conduire à des exigences accrues quant à la précision du circuit de réglage extérieur dans le bus de satellite. Comme le dispositif de mesure est largement protégé contre des influences de l'environnement, le mouvement du dispositif de mesure est bien plus "lisse", c'est-à-dire qu'il comporte surtout moins de variations à basse fréquence que dans le cas d'une charge utile non découplée. Le dispositif de mesure peut donc être réglé plus facilement et son mouvement inertiel peut être mieux reconstruit au sol. Le dispositif réduit encore nettement les exigences quant à la définition et à l'absence de perturbations ou de parasites de systèmes de réglage dans le bus de satellite. Il est alors possible éventuellement, même pour de très grandes exigences quant à la précision de mesure de l'instrument de mesure, de prévoir encore l'utilisation d'organes de réglage classiques pour le circuit de réglage extérieur dans le bus de satellite. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: Figure 1 l'agencement schématique selon l'invention d'un dispositif de mesure dans un bus de satellite, l'ensemble du dispositif de mesure y compris l'électronique étant découplé du bus de satellite, et Figure 2 une variante de l'agencement du dispositif de mesure selon l'invention, seule la partie passive du dispositif de mesure étant découplée du bus de satellite et le détecteur, c'est-à-dire la partie active du dispositif de mesure qui a besoin de puissance, étant placée mobile sur le bus de satellite avec un autre dispositif de positionnement. La figure 1 montre un dispositif de mesure 1 qui est agencé dans un bus de satellite ou dans une structure de satellite 2, un espace 3 existant entre le bus de satellite 2 et le dispositif de mesure 1. La forme du bus de satellite 2 peut être quelconque, par exemple symétrique en rotation ou irrégulière. Le dispositif de mesure 1 comporte une partie passive 4, qui peut comporter par exemple un télescope, un détecteur 5a, une électronique frontale 5b associée à ce dernier pour fournir des données de mesure et un radiateur 6 pour évacuer la chaleur apparaissant dans le dispositif de mesure. Le dispositif de mesure 1 est maintenu à l'intérieur du bus de satellite 2 au moyen d'un système de réglage ou unité de support ou première unité de positionnement 7 dans une position prescrite par rapport à un système inertiel prescrit. Le système inertiel dépend de l'application. Il peut s'agir par exemple, dans le cas de mesures dans le système solaire, d'un système de coordonnées héliocentrique. Le bus de satellite 2 suit le dispositif de mesure 1 à l'aide d'organes de réglage classiques, par exemple des tuyères ou des roues à réaction, qui sont agencés sur ou dans le bus de satellite 2. L'énergie pour l'électronique frontale 5b, abrégée ci-dessous en électronique, est transmise au moyen d'un dispositif de transmission d'énergie 8 sans contact, par exemple au moyen de bobines travaillant à haute fréquence. L'espace 3 a des dimensions telles que, lors de l'utilisation de toute la plage de réglage du premier dispositif de positionnement 7, le dispositif de mesure 1 ne peut pas venir en contact avec le bus de satellite 2. L'électronique frontale 5b du dispositif de mesure contient seulement les fonctions absolument nécessaires près du détecteur 5a afin de maintenir au minimum la puissance électrique à transmettre au moyen des bobines 8 travaillant à haute fréquence. La transmission de données mesurées du dispositif de mesure 1 au bus de satellite 2 peut s'effectuer par l'intermédiaire de bobines, de coupleurs optoélectroniques, ou de moyens analogues. Ces systèmes de transmission sont agencés par paires de telle sorte que les forces apparaissant lors de la transmission d'énergie ou d'informations se compensent mutuellement. En cas de plus petites exigences de précision, de fins fils souples peuvent aussi être utilisés pour la transmission d'énergie ou d'informations. Le premier dispositif de positionnement 7 est conçu de telle sorte qu'il peut stabiliser l'ensemble des six degrés de liberté. A cet effet, différents concepts de support sans contact selon l'état de la technique peuvent être utilisés, concepts par lesquels tous les degrés de liberté peuvent être stabilisés de façon active ou de façon partiellement passive selon les précisions demandées pour les différents degrés de liberté. Pour régler la position du dispositif de mesure 1 dans le bus de satellite 2, le premier dispositif de positionnement 7 comporte des capteurs qui mesurent les distances entre le dispositif de mesure et le bus de satellite dans la plage des nm (capteurs capacitifs ou inductifs) ou en dessous (métrologie par laser). En même temps, ces capteurs servent au circuit de réglage de satellite extérieur pour la détection des grandeurs réglées par rapport au dispositif de mesure 1. Le circuit de réglage de satellite extérieur s'assure au moyen des organes de réglage du bus de satellite 2 (par exemple des tuyères ou des roues à réaction) que celui-ci suit le mouvement du dispositif de mesure 1 à l'intérieur de tolérances relativement grandes et sans toucher ledit dispositif de mesure. La grandeur réglée pour le dispositif de support/position du dispositif de mesure 1 est obtenue à partir des données du détecteur 5a. La grandeur réglée peut être par exemple une position d'étoile ou un point sur la terre. Les organes de réglage du premier dispositif de positionnement 7 peuvent être conçus selon l'état de la technique sous forme magnétique ou, en cas de plus petites perturbations à compenser, sous forme capacitive. Si le dispositif de mesure 1 travaille à des températures cryogéniques, des supports passifs supraconducteurs peuvent être utilisés dans le premier dispositif de positionnement 7. Pour réduire le coût en appareils, les forces dues au dispositif de transmission d'énergie 8 peuvent être utilisées en même temps pour le réglage par rapport à des degrés de liberté individuels ou à tous les degrés de liberté, différentes puissances étant transmises par les dispositifs de transmission d'énergie 8 individuels pour une même puissance totale. Si l'on peut encore très nettement réduire les moments parasites apparaissant encore au niveau du dispositif de mesure 1 malgré la protection par le bus de satellite 2, comme des moments dus à des forces de gravitation et/ou des moments magnétiques produits par le moment dipolaire résiduel encore présent dans le dispositif de mesure 1, la force répulsive de rayonnement produite par l'onde électromagnétique peut aussi être exploitée pour le positionnement du dispositif de mesure. Ce faisant, 2793569 la puissance ayant rayonné à partir d'interféromètres à laser utilisés pour la mesure de position, peut par exemple être exploitée pour le réglage, l'interféromètre à laser travaillant alors en même temps comme organe de réglage et comme capteur idéalement installé. Comme tous les capteurs exploitables pour la mesure de position ne travaillent pas sans rétroaction, on les fait fonctionner en procédé différentiel afin de minimiser les forces parasites. En d'autres termes, les forces exercées par des capteurs pour déterminer la position du dispositif de mesure 1 par rapport au bus de satellite 2 sur le dispositif de mesure sont utilisées par une variation des forces exercées par les capteurs pour le positionnement du dispositif de mesure. L'interféromètre à laser convient comme organe de réglage pour de petites forces à appliquer car la force parasite exercée par un interféromètre à laser est largement indépendante de l'intervalle de mesure. L'agencement esquissé à la figure 1 exige que le dispositif de transmission d'énergie 8 soit conçu très soigneusement pour minimiser des forces parasites. En outre, la puissance dissipée, à évacuer par l'intermédiaire du radiateur 6 conduit surtout, à cause des forces répulsives de rayonnement qu'elle produit, à des forces considérables agissant sur le dispositif de mesure et aussi, à cause de dissymétries, à des moments parasites correspondants agissant sur le dispositif de mesure 1. Avec l'agencement représenté à la figure 2, ces moments parasites peuvent encore être réduits, toutefois à un coût plus grand. Dans le cas de l'objet représenté à la figure 2, la transmission d'énergie et d'informations du bus de satellite 2 à la partie active du dispositif de mesure 1 ne s'effectue pas sans contact mais de manière classique au moyen de conducteurs. La figure 2 montre le dispositif de mesure 1 dans le bus de satellite 2 sachant que, pour ce qui est du dispositif de mesure 1, contrairement à l'objet de la figure 1, le détecteur 5a est séparé mécaniquement de la partie passive 4 de telle sorte que la partie passive 4 est agencée mobile par rapport au détecteur a. Ce faisant, seule la partie passive 4, et non le détecteur 5a, est logée sans contact par rapport au bus de satellite 2. A cet effet, le détecteur 5a du dispositif de mesure 1 est relié par l'intermédiaire d'un deuxième dispositif de positionnement 9 au bus de satellite 2. Ce faisant, au moins une partie de la partie active est fixée sur le deuxième dispositif de positionnement. Le deuxième dispositif de positionnement 9 peut ainsi être fixé sur le radiateur 6 ou directement sur le bus de satellite 2. Le bus de satellite 2 suit en esclave le mouvement de la partie passive 4 du dispositif de mesure 1 qui a la fonction d'un maître. A cet effet, le bus de satellite 2 comporte des organes de réglage qui lui sont propres, par exemple des tuyères, comme dans l'objet de la figure 1. Selon une variante, d'autres composants de la partie active, par exemple l'électronique 5b et/ou le radiateur 6, peuvent être fixés au deuxième dispositif de positionnement 9. Le deuxième dispositif de positionnement 9 a pour tâche de réduire les exigences se rapportant à la précision de position au niveau du bus de satellite 2. Ce résultat est obtenu selon l'invention par le fait que le deuxième dispositif de positionnement 9 positionne au moyen d'un réglage en cascade les composants correspondants de la partie active, lesquels sont agencés sur le deuxième dispositif de positionnement, par rapport à la partie passive 4. Pour le positionnement des pièces correspondantes de la partie active, on peut utiliser comme deuxième dispositif de positionnement 9, selon les exigences posées, un chariot x- y approprié ou, si un mouvement de réglage dans trois dimensions doit être exécuté, par exemple un hexapode. De tels dispositifs formés selon l'état de la technique permettent d'atteindre des résolutions de positionnement dans la plage inférieure au nm. Pour atteindre de plus grandes précisions de réglage, on peut aussi utiliser au moyen du deuxième dispositif de positionnement 9, destiné au positionnement des composants à positionner de la partie active, des dispositifs de positionnement sans contact comme ceux prévus pour le premier dispositif de positionnement 7. Cependant, dans la forme de réalisation selon la figure 2, les organes de réglage doivent apporter des forces nettement plus grandes en raison des liaisons par conducteurs prévus dans ce cas. Pour le réglage en cascade, la position des composants à positionner de la partie active peut être détectée par rapport à la partie passive 4 avec des capteurs inductifs et capacitifs. En variante ou en supplément, on peut utiliser de simples détecteurs à quadrants classiques avec lesquels les déviations d'un faible rayon lumineux réfléchi au niveau de la partie passive 4 sont mesurées. En cas d'exigences très grandes dans la plage des pm, un système de métrologie par laser conçu de manière appropriée peut être utilisé pour déterminer la position relative de la partie active par rapport à la partie passive 4. Si seul le détecteur 5a se trouve sur le deuxième dispositif de positionnement 9, la chaleur du détecteur peut être évacuée par exemple avec des rubans souples. Dans le cas d'une conception appropriée de 13 2793569 l'agencement représenté à la figure 2, seules des forces de gravitation et, le cas échéant lors d'une charge électrostatique des surfaces du dispositif de mesure 1, de plus petites forces de Lorentz agissent encore globalement sur la partie passive 4 du dispositif de mesure 1, laquelle partie passive détermine largement la précision de mesure. Si des moments dipolaires résiduels sont encore présents sur la partie passive 4, les champs magnétiques agissant sur le dispositif de mesure 1 et dus par exemple à un champ magnétique extérieur et/ou à des champs produits dans le satellite lui-même peuvent être mesurés à des endroits magnétiquement sensibles. Ils peuvent être compensés au moins localement par des dispositions appropriées, par exemple par des agencements de bobines appropriés pour la plage critique. Avec ces dispositions, le mouvement inertiel largement non perturbé qui est exigé pour le dispositif de mesure 1 peut être encore mieux mis en euvre en raison des forces et des moments parasites encore plus réduits que dans le cas de l'objet représenté à la figure 1. Cependant, des limites existent ici à cause de la précision pouvant être obtenue lors de la poursuite du mouvement de la partie passive 4 par le détecteur 5a. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique, que des modifications dans la forme et dans des détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de positionnement qui est destiné à un dispositif de mesure de très haute précision (1) dans un bus de satellite (2), dans lequel le dispositif de mesure (1) est mobile librement selon des degrés de liberté prescrits à l'intérieur d'un espace (3) prescrit par le bus de satellite (2) et dans lequel le bus de satellite (2) suit le mouvement du dispositif de mesure (1) selon les degrés de liberté prescrits pour faire écran aux forces et moments parasites, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (1) produit lui-même ses signaux de référence nécessaires à l'orientation inertielle et s'oriente au moyen d'un premier dispositif de positionnement (7) par rapport à un but de mesure prescrit. 2. Système de positionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (1) comporte une partie passive (4) et une partie active (5a, 5b, 6), seule la partie passive (4) étant agencée librement mobile à l'intérieur du bus de satellite (2), la partie active (5a, 5b, 6) étant reliée de façon fixe au bus de satellite (2) et le bus de satellite (2) suivant les mouvements de la partie passive (4). 3. Système de positionnement selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour soulager le réglage de bus de satellite extérieur, au moins une partie de la partie active est fixée sur un deuxième dispositif de positionnement (9) qui suit les mouvements de la partie passive (4). 4. Système de positionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'énergie nécessaire dans le dispositif de mesure (1) est transmise sans contact et le flux d'informations entre le dispositif de mesure (1) et le bus de satellite (2) s'effectue sans contact. 5. Système de positionnement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la transmission d'énergie s'effectue de telle sorte que les forces apparaissant lors de la transmission d'énergie se compensent mutuellement. 6. Système de positionnement selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les forces apparaissant lors de la transmission d'énergie sont exploitées en même temps pour le positionnement du dispositif de mesure (1) selon les degrés de liberté prescrits. 7. Système de positionnement selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, pour de plus petites perturbations agissant sur le dispositif de mesure (1), la force répulsive de rayonnement exercée par des ondes électromagnétiques est exploitée pour le positionnement du dispositif de mesure (1). 8. Système de positionnement selon la revendication 7, caractérisé en ce que les forces exercées par des capteurs pour déterminer la position du dispositif de mesure (1) par rapport au bus de satellite (2) sur le dispositif de mesure (1) sont utilisées par une variation des forces exercées par les capteurs pour le positionnement du dispositif de mesure (1). 9. Système de positionnement selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, le champ magnétique est mesuré à des endroits magnétiquement sensibles et est compensé le mieux possible localement au moyen de bobines pour la plage critique.