Brevet FR2814817A1 — publié le 20020405

DETECTION DE DEBRIS SPATIAUX EN ORBITE A PARTIR D'UN INSTRUMENT EMBARQUE SUR SATELLITE DOMAINE TECHNIQUE GENERAL ET ETAT DE LA TECHNIQUE L'invention concerne la détection des débris spatiaux de petite taille en orbite autour de la Terre. Les débris spatiaux constituent une menace importante pour les satellites artificiels. Du fait en effet de leur taille-qui varie de quelques dixièmes de millimètres à quelques mètres-et de leur vitesse-qui peut être de l'ordre de 10 km/s)-les débris spatiaux peuvent constituer des projectiles particulièrement dommageables pour les satellites artificiels, alors que le coût de ceux-ci est-on le sait-particulièrement conséquent. Or, le nombre des débris spatiaux ne cesse d'augmenter. Ceci est dû au fait qu'il y a de plus en plus de lancements de satellites-ces derniers constituant autant de nouvelles sources de débris-et également au fait que des collisions entre débris et satellites entraînent la formation d'autres débris. Les débris dont la taille varie de quelques dizaines de centimètres à quelques mètres sont détectables depuis des postes d'observation terrestres, notamment de télescopes ou de radars. Il a également été proposé des systèmes embarqués sur des satellites et notamment des systèmes radars. De tels systèmes-qui ne sont a priori connus qu'à l'état de projetsont l'avantage de permettre de déterminer la vitesse et la position des débris. Pour des exemples de systèmes radars embarqués, on pourra par exemple se référer aux abrégés des brevets japonais JP 04 292300, JP 04 146900 ou JP 10 147300. Les systèmes télescopiques terrestres et les systèmes radars-qu'ils soient embarqués ou non-ont l'inconvénient pour certains de ne pas permettre de détecter les petits débris, dont la taille varie de quelques dixièmes de millimètres à quelques centimètres. Pourtant, en 1998, on estimait à 150 000 le nombre des ces petits débris à des altitudes orbitales inférieures à 1500 km. Les systèmes radars embarqués auraient au surplus l'inconvénient d'être des systèmes actifs fortement consommateurs de puissance et de ne pas permettre de détermination de trajectoire. A ce jour, on utilise généralement pour détecter ces débris de petites tailles des détecteurs d'impacts embarqués sur les satellites. Ces détecteurs d'impact se présentent sous la forme de plaques montées à l'extérieur des satellites artificiels. Lorsqu'un débris frappe ces plaques, un impact se forme. Le nombre de débris et leur vitesse sont déterminés en examinant les caractéristiques de ces impacts. De tels dispositifs détecteurs d'impacts ont toutefois l'inconvénient de présenter des surfaces de détection limitées, de l'ordre de quelques centimètres carrés, et par conséquent de ne pas permettre de collecter un nombre d'impacts importants. De plus, ces dispositifs doivent être récupérés et ramenés sur Terre pour être analysés. PRESENTATION DE L'INVENTION. Un but de l'invention est de proposer un système de détection de débris, qui permette la détection de débris de petites dimensions, sans présenter les inconvénients des dispositifs de détection d'impacts. L'invention propose à cet effet un dispositif de détection des petits débris spatiaux, apte à être embarqué dans un satellite artificiel et utilisant des techniques passives de détection, c'est-à-dire à faible consommation d'énergie. Ainsi, l'invention propose un instrument apte à être embarqué sur un satellite, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection optique passifs aptes à détecter optiquement la présence de débris (9) à proximité du satellite. Avantageusement, les moyens de détection optique passifs comportent au moins deux matrices de photodétecteurs ainsi que des moyens obturateurs commandés pour définir pour lesdites matrices de photodétecteurs une succession de temps d'acquisition, ledit instrument comportant également des moyens pour traiter les images relevées par lesdites matrices de photodétecteurs et déterminer la distance et la vitesse d'un débris apparaissant sur ces images. Un tel instrument est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - les moyens obturateurs comportent un tube intensificateur d'images ; - il comporte des moyens pour générer une tension de commande modulée qui est appliquée au tube intensificateur d'images et qui définit la succession de temps d'acquisition ; - les moyens obturateurs sont commandés avec une succession de temps d'acquisition qui correspond à une fréquence de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de KHz. - les photodétecteurs sont des photodétecteurs à transfert de charge. On l'aura compris, l'instrument proposé par l'invention permet de détecter les petits débris (taille comprise entre 0.1 et 1000 mm) invisibles depuis le sol et de les caractériser en mesurant notamment leur distance au satellite, leur trajectoire, leur vitesse et éventuellement leur taille par une détection rapide et très sensible, tout en répondant aux contraintes des satellites, c'est-à-dire en proposant un dispositif avec un encombrement spatial faible et pouvant fonctionner avec une puissance électrique disponible limitée. PRESENTATION DES FIGURES. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit qui est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : -La figure 1 est une représentation schématique d'un exemple d'instrument selon l'invention. -La figure 2 est un schéma d'une vue de face d'un exemple d'instrument selon l'invention. -la figure 3 est une représentation schématique en vue en coupe de l'instrument de la figure 1. EXEMPLE DE REALISATION L'instrument, référencé par 1 sur les figures, comporte, sur un microsatellite 4, deux objectifs optiques 2,3 chacun associé à des moyens de capture d'images 6 et à un obturateur rapide 5. Les moyens 6 sont avantageusement des caméras CCD. L'obturateur rapide 5 est avantageusement un tube intensificateur d'images, dont on fait varier la tension de commande, laquelle tension est une tension appliquée à une photocathode 10 dudit tube intensificateur 5. La tension de la photocathode 10 est notamment commandée par des moyens de modulation 11, qui modulent par exemple ladite tension de façon sinusoïdale. L'instrument comporte en outre des moyens de traitement 7 aptes à mettre en oeuvre un traitement sur les images acquises par les moyens 6 de capture d'images, ainsi que des moyens 8 d'alimentation en courant électrique qui sont par exemple des batteries solaires et qui sont reliés aux différents moyens de l'instrument 1. Un tel instrument permet de détecter des débris de petites dimensions, schématisés par les débris 9 sur la figure 1. Il permet également de déterminer la position et la vitesse de ces débris 9. A cet effet, son fonctionnement est le suivant. Lorsque des débris passent dans le champ des objectifs 2 et 3, la lumière du soleil réfléchie par le débris 9 est collectée par lesdits objectifs 2 et 3. Aux instants où les obturateurs 5 ne sont pas fermés, ils amplifient la lumière ainsi collectée, de sorte que les caméras CCD 6 acquièrent des images des débris 9. A chaque temps d'acquisition, les moyens de traitement 7 traitent les deux images ainsi obtenues pour, par exemple par triangulation sur les barycentres des débris, en déduire la distance à laquelle le débris se trouve par rapport au satellite 4. Le temps d'intégration des CCD est choisi beaucoup plus long que le temps d'ouverture/obturation. Pour chaque image obtenue, l'obturateur se sera ouvert et fermé un grand nombre de fois. On détermine également la vitesse des débris par traitement des images obtenues pour un même débris pour deux temps d'acquisition successifs. On notera que la vitesse des débris-qui peut aller jusqu'à 30 km/simpose une modulation haute fréquence (de l'ordre de quelques centaines de kHz). Connaissant pour chaque point de pixel la distance du débris 9 et la date de son passage, il est alors possible de reconstituer sa trajectoire et de déterminer sa taille. Comme on l'aura compris, l'utilisation de caméras CCD est particulièrement avantageuse : elle garantit une très bonne résolution spatiale, qui est donnée par la structure matricielle des caméras CCD 6. De plus, les caméras CCD 6 possèdent un excellent ratio signal/bruit. On notera en outre que la structure qui vient d'être décrite ne nécessite pas de moyens électroniques complexes. L'instrument proposé par l'invention est par conséquent d'une structure particulièrement simple qui lui permet de répondre aux contraintes d'encombrement minimal des satellites. De plus, comme l'électronique du dispositif unique est très simple, et que la lumière naturelle du soleil est utilisée pour l'éclairage des débris, l'instrument selon l'invention est peu consommateur en puissance électrique, ce qui est également un critère important pour un instrument destiné à être embarqué sur un satellite. REVENDICATIONS 1. Instrument apte à être embarqué sur un satellite (4), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection optique passifs (6) aptes à détecter optiquement la présence de débris (9) à proximité du satellite (4). 2. Instrument selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection optique passifs comportent au moins deux matrices de photodétecteurs (6) ainsi que des moyens obturateurs (5) commandés pour définir pour lesdites matrices de photodétecteurs une succession de temps d'acquisition, ledit instrument comportant également des moyens (7) pour traiter les images relevées par lesdites matrices de photodétecteurs et déterminer la distance et la vitesse d'un débris apparaissant sur ces images. 3. Instrument selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens obturateurs (5) comportent un tube intensificateur d'images. 4. Instrument selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (11) pour générer une tension de commande modulée qui est appliquée au tube intensificateur d'images (5) et qui définit la succession de temps d'acquisition. 5. Instrument selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens obturateurs sont commandés avec une succession de temps d'acquisition qui correspond à une fréquence de l'ordre d'une ou plusieurs centainbes de KHz. 6. Instrument selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les photodétecteurs sont des photodétecteurs à transfert de charge.