Brevet FR2796468A1 — publié le 20010119

ALGORITHME DE CORRECTION D'INTERDICTION DE BALAYAGE DU CAPTEUR DE REPERAGE DE LA TERRE POUR MODIFIER LES INCLINAISONS EN ROULIS D'UN ENGIN SPATIAL La présente invention se rapporte d'une façon générale aux systèmes et aux procédés de commande d'engins spatiaux, et plus particulièrement, à un système et à un procédé qui corrigent les erreurs en roulis du capteur de la terre rencontrées durant le mode d'interdiction de balayage du capteur de la terre si un engin spatial subit une variation d'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre. Le cessionnaire de la présente invention développe et déploie des engins spatiaux qui orbitent autour de la terre. De tels engins spatiaux utilisent habituellement un capteur de repérage de la terre qui est utilisé pour déterminer si l'engin spatial est pointé directement au centre de la terre et génère des signaux d'erreur en roulis et en tangage indicatifs de la quantité dont il s'en écarte. Le capteur de repérage de la terre fournit une référence relative à la terre pour l'engin spatial. Un système de commande d'attitude embarqué sur l'engin spatial est utilisé pour pointer l'engin spatial en direction de la terre en utilisant des signaux obtenus à partir du capteur de repérage de la terre. Le capteur de repérage de la terre fournit des données indicatives de la manière dont la terre se déplace dans l'espace inertiel par rapport à l'engin spatial. Une fois que des paramètres orbitaux sont estimés en utilisant le capteur de la terre, des manoeuvres sont lancées pour corriger l'orbite de l'engin spatial en utilisant le système de commande d'attitude. Le capteur de repérage de la terre est habituellement mis en oeuvre dans deux modes. Le premier est un mode normal et le second est mode d'interdiction de balayage. Dans le mode normal, le capteur de repérage de la terre fournit en sortie des signaux qui sont traités pour déterminer si l'engin spatial est pointé au centre de la terre, et de combien l'engin spatial s'écarte de cette direction de pointage. Le capteur de repérage de la terre génère deux balayages séparés d'une distance prédéterminée. Si le capteur de repérage de la terre est parfaitement aligné avec la terre, les deux balayages sont équidistants par rapport au centre de la terre. Si un objet brillant, tel que le soleil ou la lune entre dans le champ d'observation de l'un des balayages, le balayage est alors corrompu. De ce fait, un mode d'interdiction de balayage est utilisé lorsqu'un tel objet brillant crée des balayages erronés. Durant le mode d'interdiction de balayage, les signaux de sortie obtenus à partir de ce balayage ne sont pas traités. Le capteur de repérage de la terre calcule en permanence une corde standard. Dans le mode d'interdiction de balayage, si un objet brillant affecte (franchit) une ligne de balayage, la corde standard calculée précédemment est alors utilisée. Cette procédure est acceptable si l'orbite de l'engin spatial ne change pas. Cependant, si l'image de la terre change dans le temps, où le profil de roulis de l'engin spatial est amené à varier, de sorte que la direction de pointage de l'engin spatial varie dans le temps, la corde standard n'est alors pas valide. Avant la présente invention, des erreurs subies pendant le mode d'interdiction de balayage étaient supposées être faibles, même lorsque l'engin spatial était sur une orbite inclinée. Cependant, on a montré que des erreurs significatives en roulis pouvaient être subies dans une orbite inclinée de trois degrés. Ces erreurs en roulis n'étaient pas incluses dans les budgets de pointage antérieurs utilisés sur certains engins spatiaux déployés par le cessionnaire de la présente invention. De même, certaines missions nécessitent des orbites beaucoup plus fortement inclinées ce qui renforce largement les erreurs. En conséquence, il serait avantageux d'obtenir un système et un procédé qui corrigent les erreurs en roulis du capteur de la terre qui apparaissent durant le mode d'interdiction de balayage du capteur de la terre si l'engin spatial subit une variation d'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre. La présente invention réalise un système et un procédé (ou un algorithme) destinés à être utilisés sur un engin spatial pour corriger des erreurs en roulis du capteur de la terre durant le mode d'interdiction de balayage du capteur de la terre d'un capteur de la terre, si l'engin spatial subit une variation d'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre. La présente invention permet des performances de pointage améliorées dans des situations où l'inclinaison en roulis doit varier pendant que le capteur de la terre est en mode d'interdiction de balayage. Par exemple, sans utiliser la présente invention, un engin spatial présentant une grande orbite inclinée aurait une erreur de pointage importante du fait que l'inclinaison du roulis commandée du capteur de la terre varie en fonction de l'orbite. Plus particulièrement, le présent système comprend un système de commande d'attitude d'un engin spatial comportant un ordinateur de commande d'attitude embarqué sur l'engin spatial qui est relié à un capteur de repérage de la terre embarqué sur l'engin spatial. Le calculateur de commande d'attitude met en oeuvre le présent procédé, qui corrige les erreurs en roulis du capteur de la terre, lorsque le capteur de repérage de la terre est en mode d'interdiction de balayage, et si l'engin spatial subit une variation de l'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre. Le procédé peut être réalisé sous forme d'une table de consultation qui contient des valeurs précalculées comprenant les valeurs d'inclinaison en roulis correctes. En variante, un calcul fondé sur le calcul d'un facteur d'inclinaison qui compense la corde standard imprécise, peut être utilisé. Le présent procédé comprend les étapes suivantes. Un engin spatial est lancé en orbite autour de la terre, lequel comprend un capteur de repérage de la terre qui fonctionne dans des modes normal et d'interdiction de balayage, et un calculateur de commande d'attitude qui pointe l'engin spatial en réponse à des signaux de sortie obtenus depuis le capteur de repérage de la terre. Le capteur de repérage de la terre génère des signaux d'erreur en roulis indicatifs de la direction de pointage de l'engin spatial. L'engin spatial est pointé sur la terre en réponse à des calculs effectués en utilisant les signaux d'erreur en roulis générés par le capteur de repérage de la terre. Dans le cas où le capteur de repérage de la terre bascule en mode d'interdiction de balayage, et si durant le temps où le capteur de la terre est dans le mode d'interdiction de balayage, l'engin spatial est commandé vers une nouvelle direction de pointage, les signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés sont générés, en utilisant le calculateur de commande d'attitude et des équations prédéterminées ou une table de consultation, qui sont indicatifs de la direction de pointage désirée de l'engin spatial. Les diverses caractéristiques et avantages de la présente invention peuvent être plus facilement compris en faisant référence à la description détaillée suivante prise conjointement aux dessins annexés, dans lesquels des références numériques identiques désignent des éléments structurels identiques, et dans lesquels Les figures la et lb illustrent une détermination d'angle de capteur de la terre utilisant un exemple de système conforme aux principes de la présente invention, La figure 2 est un tracé illustrant l'erreur de mesure du capteur de la terre en fonction de l'inclinaison en roulis, et La figure 3 est un organigramme illustrant un exemple d'algorithme de procédé conforme aux principes de la présente invention. En se référant aux figures des dessins, les figures la et lb illustrent la détermination d'un angle de capteur de la terre en utilisant un exemple de système 10 conforme aux principes de la présente invention. Le système 10 comprend un système de commande d'attitude d'engin spatial 10 comportant un calculateur de commande d'attitude 12 embarqué sur un engin spatial 11 qui est en orbite autour de la terre 14. Le calculateur de commande d'attitude 12 est relié à un capteur de repérage de la terre 13 embarqué sur l'engin spatial 11. Le calculateur de commande d'attitude 12 met en oeuvre un procédé 20 conforme à la présente invention. Le procédé 20 corrige les erreurs en roulis du capteur de la terre, lorsque le capteur de repérage de la terre 13 est en mode d'interdiction de balayage et si l'engin spatial 11 subit une variation de l'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre sur la base de la sortie du capteur de repérage de la terre 13. Le procédé 20, réalisé dans le calculateur de commande d'attitude 12, par exemple, est décrit en détail en référence à la figure 3. Les figures la et lb illustrent la manière dont le capteur de repérage de la terre fonctionne de façon nominale et dans le mode d'interdiction de balayage, respectivement, en ce qui concerne le calcul de l'erreur en roulis. Les figures la et lb illustrent également ce qui arrive si l'inclinaison de roulis varie pendant que le capteur de repérage de la terre 13 est dans le mode d'interdiction de balayage. L'erreur en roulis apparaît car le capteur de repérage de la terre 13 capture une corde de longueur standard au moment où le mode d'interdiction de balayage est commandé depuis le calculateur de commande d'attitude 12. Cette corde standard présente la longueur correcte si l'inclinaison de roulis appliquée à l'engin spatial 11 ne varie pas. La figure la représente la situation à l'instant 0. La corde standard est égale à la corde de la figure la identifiée par N-Scan, ou de façon équivalente, St Chord = N-Scan. La figure lb représente la situation à l'instant T = 0 + X. Le paramètre St Chord est différent de celui pour T = 0. La sortie du capteur de repérage de la terre 13 comprend des signaux qui sont indicatifs de l'erreur en roulis et en tangage par rapport à la terre 14. Les signaux de sortie générés par le capteur de repérage de la terre 13 sont fondés sur l'utilisation d'une corde de longueur standard. Un algorithme du capteur de repérage de la terre 13 génère les signaux d'erreur en roulis et en tangage en fonction de la corde de longueur standard. Le capteur de repérage de la terre 13 utilise de façon interne les équations de N Scan et S Scan suivantes. N-Scan peut être représenté par le développement de Taylor suivant N-scan = C_old + 0 + a82 + a02 + (363 + ... S_Scan peut être représenté par le développement de Taylor suivant S_scan = C-old - 0 + a02 + a02 -(303 + ... . La corde standard est donnée par l'équation St Chord = C = (N + S)/2. Pour le mode normal (N + S) /2 = 0 + x03. Pour le mode d'interdiction de balayage sud N-C=e+xe3. Pour le mode d'interdiction de balayage nord S - c = e + x03. L'équation du mode d'interdiction de balayage ci- dessus fournit le même résultat que l'équation du mode normal si l'inclinaison de roulis ne varie pas. De façon idéale, la sortie du capteur de la terre est fournie par ES Output des = N - C -des. Cependant, si l'inclinaison de roulis ne varie pas, l'équation d'interdiction de balayage devient ES output = N - C old = 0 + a02 - a92inn + . . . Dans les équations ci-dessus, 0 représente l'angle de roulis, N représente la corde nord, S représente la corde sud, C représente la corde standard, C old représente la corde standard au moment du lancement du mode d'interdiction de balayage, 0_inh représente l'angle de roulis au moment de l'interdiction, C des représente la corde standard pour l'angle de roulis désiré, et a, (3 et sont des constantes. Cependant, si l'inclinaison de roulis appliquée à l'engin spatial 11 est modifiée, le balayage obtenu depuis le capteur de repérage de la terre 13 s'établit à une nouvelle position (représentée sur la figure 1b) par rapport à la terre. Ainsi, si la corde standard n'est pas mise à jour pour cette nouvelle position, la mesure de position en roulis du capteur de la terre résultante sera incorrecte. Le capteur de repérage de la terre 13 génère deux balayages séparés d'une distance prédéterminée. Si le capteur de repérage de la terre 13 est parfaitement aligné avec la terre 14, les deux balayages sont alors équidistants par rapport au centre de la terre 14, illustré par la ligne horizontale en pointillé sur la figure la. Si un objet brillant, tel que le soleil ou la lune croise l'un ou l'autre des balayages, ce balayage est alors corrompu. De ce fait, le mode d'interdiction de balayage est utilisé lorsqu'un tel objet brillant crée des balayages erronés. Dans le mode d'interdiction de balayage, le capteur de repérage de la terre 13 se souvient de l'aspect des balayages précédents. Si un objet brillant affecte (franchit) une ligne de balayage, alors la ligne de balayage mémorisée précédemment est utilisée. Cette procédure est acceptable si l'orbite de l'engin spatial 11 ne varie pas. Cependant, si l'image de la terre 14 varie dans le temps, c'est-à-dire que la direction de pointage de l'engin spatial 11 varie dans le temps, si le profil de roulis est amené à varier, alors les anciens balayages ne sont pas valides. En particulier, pour un engin spatial présentant une orbite inclinée à 7 degrés, par exemple, ceci est incorrect. L'erreur de pointage provoquée par les données erronées provenant du capteur de repérage de la terre 13 provoquerait une erreur de pointage d'environ 120 milliradians, ce qui est en général inacceptable. L'erreur en roulis augmente sur la base de la différence entre l'ancienne valeur d'inclinaison de roulis et la nouvelle valeur d'inclinaison de roulis. La figure 2 indique ce que sera l'erreur par rapport à l'inclinaison de roulis commandée pour un exemple de capteur de la terre 13 fabriqué par NEC, par exemple. Le capteur de la terre NEC 13 est utilisé dans certains engins spatiaux fabriqués par le cessionnaire de la présente invention. Conformément à la présente invention, l'algorithme utilisé dans le calculateur de commande d'attitude 12 embarqué sur l'engin spatial 11 traite les signaux de sortie en roulis et en tangage afin de corriger le profil de roulis variable de l'engin spatial 11. La présente invention prélève ainsi des données déformées ou erronées obtenues depuis le capteur de la terre 13 et les corrige. L'erreur due à cet effet peut être corrigée suivant une diversité de procédés 20 conformes à la présente invention. Si le pointage de l'engin spatial est très bien maitrisé, un procédé 20 fondé sur la correction de l'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre en utilisant une table de consultation (LUT) 15, peut être utilisé. La table de consultation 15 mémorise des valeurs précalculées de la longueur de corde standard pour chacune d'une pluralité de valeurs d'inclinaison en roulis différentes. Le calcul des valeurs de longueur de corde standard précalculées est fait de la manière décrite ci-dessous. En variante, un calcul fondé sur le calcul d'un facteur d'inclinaison qui compense la corde standard imprécise, peut être utilisé. La manière dont ce facteur d'inclinaison peut être calculé est expliquée ci-dessous à nouveau en faisant référence aux figures la et lb. En particulier, le calcul de l'inclinaison en roulis peut être fondé sur l'utilisation d'une approximation par une série de Taylor. La corde standard désirée peut être calculée en utilisant le théorème de Pythagore. Ainsi, la corde standard au moment du lancement du mode d'interdiction de balayage et la corde standard à l'inclinaison en roulis désirée (corde désirée - ancienne corde) sont obtenues et la différence entre les deux est trouvée. Cette différence est ajoutée à l'inclinaison en roulis commandée ou est soustraite de la mesure actuelle du capteur de la terre. La corde standard désirée peut être calculée comme suit Soit RNS la distance en degré par rapport à l'axe central de la terre vers le balayage nord lorsque le capteur est parfaitement centré autour de la terre. Soit RSS la distance en degré par rapport à l'axe central de la terre vers le balayage sud lorsque le capteur est parfaitement centré autour de la terre. Pour des inclinaisons dont l'amplitude est inférieure à RS et RN, la corde standard est alors donnée par Es-corrected output = ES-output - #O-;nh2 + a (ES output) 2, ou Es-corrected-output = ES-output - (C des - old chord) 2, où RE est le rayon de la terre en degré, Rl = RN + RBIAS, si le rayon RBIAS est positif dans la direction du nord, et R2 = RS - RBIAS, 0 est l'angle de roulis, C old est la corde standard au moment du lancement du mode d'interdiction de balayage, 0-inh est l'angle de roulis au moment de l'interdiction, C des est la corde standard pour l'angle de roulis désiré, et a est une constante. On peut également utiliser l'approximation telle que 0 soit la sortie actuelle du capteur de la terre (ES output). Du fait que a est connu, en soustrayant a6 - inh2 et en ajoutant a x ES_output2, on corrigera les effets de la longueur de corde standard modifiée à un degré acceptable pour la plupart des missions. Dans un but d'exhaustivité, la figure 3 est un organigramme illustrant un algorithme d'exemple 20 (procédé 20) conforme aux principes de la présente invention. L'algorithme 20 ou le procédé 20 comprend les étapes suivantes. Un engin spatial 11 est lancé en 21, en orbite autour de la terre 14, qui comprend un capteur de repérage de la terre 13, qui fonctionne dans des modes normal et d'interdiction de balayage et un calculateur de commande d'attitude 12 qui pointe l'engin spatial 11 en réponse à des signaux de sortie obtenus depuis le capteur de repérage de la terre 13. Le capteur de repérage de la terre 13 génère en 22 des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis indicatifs de la direction de pointage de l'engin spatial 11. L'engin spatial 11 est pointé en 23 sur la terre 14 en réponse à des calculs faits en utilisant les signaux d'erreur d'inclinaison en roulis générés par le capteur de repérage de la terre 13. Dans le cas où le capteur de repérage de la terre 13 bascule dans un mode d'interdiction de balayage, et si durant le temps où le capteur de la terre 13 est dans le mode d'interdiction de balayage, l'engin spatial 11 est commandé vers une nouvelle direction de pointage, des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés sont calculés en 24 dans le calculateur de commande d'attitude 12, par exemple, en utilisant des équations prédéterminées qui sont indicatives de la direction de pointage désirée de l'engin spatial 11. Ainsi, un système et un procédé qui corrigent des erreurs d'inclinaison du capteur de la terre durant le mode d'interdiction de balayage du capteur de la terre d'un capteur de la terre, ont été décrits. I1 doit être compris que les modes de réalisation décrits sont simplement illustratifs de certains des nombreux modes de réalisation particuliers qui représentent des applications des principes de la présente invention. Evidemment, de nombreux agencements et autres peuvent être facilement envisagés par l'homme de l'art sans s'écarter de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système (10) destiné à être utilisé sur un engin spatial (11) qui corrige les erreurs d'inclinaison d'un capteur de la terre qui apparaissent durant un mode d'interdiction de balayage du capteur de la terre si l'engin spatial subit une variation de l'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre, comprenant un capteur de_ repérage de la terre (13) qui fonctionne dans des modes normal et d'interdiction de balayage, qui génère des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis indicatifs de la direction de pointage de l'engin spatial, et un système de commande d'attitude d'engin spatial (10) comportant un calculateur de commande d'attitude (12) relié au capteur de repérage de la terre qui pointe l'engin spatial en réponse à des signaux de sortie obtenus depuis le capteur de repérage de la terre, lequel calculateur de commande d'attitude traite les signaux de sortie d'inclinaison en roulis obtenus depuis le capteur de repérage de la terre, afin de corriger les erreurs d'inclinaison du capteur de la terre lorsque le capteur de repérage de la terre est dans un mode d'interdiction de balayage, et dans le cas où l'engin spatial subit une variation de l'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre lorsque le capteur de repérage de la terre est dans un mode d'interdiction de balayage. 2. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le calculateur de commande d'attitude (12) traite les signaux de sortie obtenus depuis le capteur de repérage de la terre pour calculer des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés en utilisant des équations prédéterminées qui sont indicatives de la direction de pointage désirée de l'engin spatial. 3. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel les équations prédéterminées sont données par N-scan = C old + 0 + a02 + a02 + (303 + ... , S-scan = C-old - 0 + a02 + a02 -(3A3 + ... , St Chord = C = (N + S)/2, et ES output = N - Ç old = 0 + a02 - af,02inh + ... , où 0 est l'angle de roulis, N représente la corde nord, S représente la corde sud, C représente la corde standard, C old représente la corde standard au moment du lancement du mode d'interdiction de balayage, 0-inh représente l'angle de roulis au moment de l'interdiction, C des représente la corde standard pour l'angle de roulis désiré, et a, P et x sont des constantes. 4. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel des valeurs calculées en utilisant les équations prédéterminées sont mémorisées dans une table de consultation (15). 5. Procédé (20) destiné à être utilisé sur un engin spatial (11) qui corrige des erreurs en roulis du capteur de la terre qui apparaissent durant un mode d'interdiction de balayage du capteur de la terre si l'engin spatial subit une variation d'inclinaison en roulis commandée du capteur de la terre, comprenant les étapes consistant à lancer (21) l'engin spatial en orbite autour de la terre (14), l'engin spatial comprenant un capteur de repérage de la terre (13) qui fonctionne dans des modes normal et d'interdiction de balayage, et un calculateur de commande d'attitude (12) qui pointe l'engin spatial en réponse à des signaux de sortie obtenus à partir du capteur de repérage de la terre, générer (22) des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis indicatifs de la direction de pointage de l'engin spatial en utilisant le capteur de repérage de la terre, pointer (23) l'engin spatial sur la terre en réponse à des calculs faits en utilisant les signaux d'erreur d'inclinaison en roulis générés par le capteur de repérage de la terre, et dans le cas où le capteur de repérage de la terre bascule dans le mode d'interdiction de balayage, et si durant le temps où le capteur de la terre est dans le mode d'interdiction de balayage, l'engin spatial est commandé vers une nouvelle direction de pointage, générer (24) des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés en utilisant des équations prédéterminées qui sont indicatives de la direction de pointage désirée de l'engin spatial. 6. Procédé (20) selon la revendication 5, dans lequel l'étape de génération (24) de signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés comprend l'étape consistant à calculer (24) des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés dans le calculateur de commande d'attitude. 7. Procédé (20) selon la revendication 5, dans lequel l'étape de génération (24) de signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés comprend l'étape consistant à calculer (24) des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés en utilisant des équations prédéterminées qui sont indicatives de la direction de pointage désirée de l'engin spatial. 8. Procédé (20) selon la revendication 5, dans lequel les équations prédéterminées sont données par Es-corrected-output = ES-output - aA_inhZ + a (ES output) Z, ou Es-corrected-output = ES output - (C des - old chord) Z, où 0 est l'angle de roulis, C est la corde standard, C old est la corde standard au moment du lancement du mode d'interdiction de balayage, 0_inh est l'angle de roulis au moment de l'interdiction, C -des est la corde standard pour l'angle de roulis désiré, et a est une constante, RE est le rayon de la terre en degré, R1 = RN + RBIAS, si RBIAS est positif dans la direction du nord, et RZ = Rs - RBIAS 9. Procédé (20) selon la revendication 5, dans lequel l'étape de génération (24) des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés comprend l'étape consistant à calculer (24) des signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés en utilisant des équations prédéterminées qui sont indicatives de la direction de pointage désirée de l'engin spatial et le procédé comprend en outre les étapes consistant à mémoriser des valeurs calculées en utilisant les équations prédéterminées, dans une table de consultation (15), et lire les valeurs mémorisées depuis la table de consultation afin de générer les signaux d'erreur d'inclinaison en roulis corrigés.