Brevet FR2815730A1 — publié le 20020426

PROCEDE DE COMMANDE D'ATTITUDE ET DE STABILISATION D'UN SATELLITE EN ORBITE BASSE, PAR COUPLAGE AVEC LE CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE La présente invention concerne les procédés de contrôle de l'attitude d'un satellite placé sur une orbite suffisamment basse pour que l'intensité du champ magnétique terrestre autorise une mesure d'attitude à l'aide d'un magnétomètre à trois axes et une commande de modification d'attitude par interaction de magnéto-coupleurs portés par le satellite avec le champ magnétique terrestre. Pratiquement cette condition est remplie lorsque le satellite est, sur au moins une partie de son orbite, à une altitude inférieure à 2000 kilomètres. On connaît déjà (FR-A-2 742 243) un procédé de commande d'attitude permettant de réduire les vitesses de rotation du satellite, notamment lorsqu'il est largué par son lanceur, et d'orienter un axe lié au satellite normalement au plan de l'orbite. Suivant ce procédé, utilisant une loi dite"en B point"pour indiquer qu'elle fait intervenir la dérivée du champ magnétique terrestre B, on mesure le champ magnétique terrestre suivant les trois axes d'un trièdre de référence lié au satellite, on dérive les mesures par rapport au temps, on multiple les dérivées par un gain et on fait passer un courant représentatif du résultat dans des magnéto-coupleurs pour créer des moments magnétiques qui tendent à garder le satellite fixe par rapport aux lignes de force du champ magnétique terrestre. Un tel procédé a déjà été utilisé pour la commande d'attitude d'un satellite comportant des roues ou volants d'inertie créant un moment cinétique interne fournissant une raideur gyroscopique. Mais, pour certaines missions, il est souhaitable d'éviter l'emploi d'actionneurs inertiels (volants ou roues d'inertie). On peut citer à titre d'exemple les satellites destinés à des missions scientifiques de précision élevée embarquant. le moins possible de mécanisme ou ceux destinés à des missions d'observation de la terre utilisant des actionneurs gyroscopiques qu'on préfère n'utiliser qu'en mode normal. Le principe mis en oeuvre est alors le suivant : on applique au satellite, à l'aide des magnéto-coupleurs, un couple qui s'oppose à la variation du champ magnétique mesuré suivant des axes liés au satellite, en utilisant le fait que le champ géomagnétique est uniforme localement, de sorte que la variation des composantes du champ magnétique mesuré selon les axes liés au satellite ait une bonne approximation des vitesses angulaires du satellite. Les magnéto-coupleurs sont commandés de façon que les couples qu'ils appliquent s'opposent aux vitesses angulaires mesurées, en vue de réduire les vitesses de rotation. Classiquement, les magnéto-coupleurs sont commandés dans ce but de façon à créer un vecteur moment magnétique Mc proportionnel à la dérivée temporelle de la valeur du champ magnétique terrestre Bm mesuré : Mc=-k. Bm (1) Dans cette formule, k désigne un gain. La stabilisation provoquée par un tel mode de commande, qui dissipe de l'énergie, amène le satellite à tourner finalement à une vitesse 2mo égale à deux fois la pulsation orbitale autour de la normale à l'orbite. Cette rotation, à raison de deux tours par orbite, même autour de l'axe de plus grande inertie, risque à elle seule de ne pas offrir suffisamment de raideur gyroscopique pour stabiliser le satellite. De plus, il peut être préférable de faire tourner le satellite autour d'un axe autre que l'axe de plus grande inertie, par exemple autour de l'axe normal au plan des générateurs solaires que porte habituellement un satellite. La présente invention vise notamment à fournir un procédé de stabilisation d'un satellite en orbite basse ne faisant pas appel, au moins de façon appréciable, à un moment cinétique interne, et permettant en conséquence d'éviter l'emploi de volants et roues d'inertie. Dans ce but l'invention propose notamment un procédé suivant lequel on mesure les composantes du vecteur champ magnétique terrestre suivant les trois axes de mesure d'un trièdre iié au satellite (pratiquement à l'aide d'un magnétomètre trois axes), on en déduit la valeur et l'orientation du champ magnétique terrestre mesuré dans le trièdre et la dérivée Bm du vecteur du champ et on commande des magnéto-coupleurs portés par le satellite pour créer un couple de mise en rotation du satellite à une pulsation c autour d'un axe de spin déterminé du satellit, mg étant supérieur à 2wo. Cette rotation ou spin peut être obtenue en ajoutant, au terme Bm de la formule (1), un vecteur de consigne Bi représentatif d'une vitesse angulaire ou biais donnant la vitesse de spin recherchée. La formule (2) donne alors le couple Mc à appliquer à l'aide des magnéto-coupleurs et donc le courant à y faire passer. Mc=-k (àm-ài) (2) Le biais Bi peut être calculé par exemple à partir de la valeur du vecteur vitesse angulaire Qi recherché : Bi=Q, x Bm ce qui se traduit par un moment à appliquer Mc : Mc = kB. (b-b,) = kB. (b-Qi xb m) (3) où b, est la variation de la direction magnétique de consigne en repère satellite (b étant le vecteur B normé), et Qi est le vecteur vitesse angulaire souhaité de cette direction magnétique b, en repère satellite. Par exemple Qi = [0 0 m,] si l'on veut que le champ magnétique tourne à vitesse mi autour de l'axe de tangage Zs (axe orthogonal au plan des générateurs solaires). La mise en oeuvre de la loi (2) se traduit par une dissipation d'énergie qui assure la convergence. Elle tend à annuler les composantes de la vitesse angulaire du satellite transverses à l'axe de spin et donc à amortir la nutation, et notamment celle qui peut exister lors de l'injection sur orbite. On choisira la loi de spin (2) (vitesse de spin et direction de l'axe de spin en repères satellite) en fonction de divers paramètres, tels que l'inclinaison de l'orbite sur l'équateur et 1 ou la phase en cours parmi les phases successives d'une mission. La mission peut requérir que l'axe de spin soit orienté autrement que selon la normale au plan de l'orbite alors que la loi (2) amène l'axe de spin choisi dans cette direction. Par exemple il peut être souhaitable d'orienter l'axe de spin vers le soleil pour que la puissance reçue par les générateurs solaires soit maximale. Pour cela l'axe de spin est"redressé"pour l'amener dans la direction du soleil ce qui implique d'une part de mesurer l'orientation du satellite par rapport au soleil, d'autre part de modifier la loi (2) d'arrivée à un régime normal ou nominal. L'orientation du soleil peut être déterminée à l'aide d'un capteur solaire dont la direction de visée coïncide avec l'axe de spin recherché (normale aux générateurs solaires par exemple) et qui fournit un signal d'écart suivant deux directions. Il n'est pas nécessaire que le capteur solaire ait une caractéristique linéaire car seule importe la direction du soleil. Lors des éclipses, le capteur solaire ne fournit plus de mesure. La direction de l'axe de spin reste cependant contrôlée comme en phase jour suivant la loi (2). La continuité de cette loi assure un réalignement progressif de l'axe de spin avec la normale. Dès convergence obtenue par la loi (2) le soleil sera dans le champ de visée du capteur, qui habituellement est presque hémisphérique, sauf si l'écart entre la direction du soleil et le plan de l'orbite est très faible. Dans ce dernier cas un capteur supplémentaire, d'axe de visée différent du premier et pouvant avoir un champ de visée faible, est prévu. En résumé la mise en oeuvre de la loi de commande (2) permet d'arriver à un état initial déterminé de rotation autour d'un axe de spin orthogonal au plan de l'orbite et d'amortir la nutation éventuelle quelle que soit son origine. Le redressement de l'axe de spin peut provoquer une nouvelle nutation ; Elle sera amortie par le même processus que lors de la stabilisation initiale par la loi (2). On voit que le procédé suivant l'invention ne nécessite ni propulseur, ni gyroscope et que les seuls capteurs requis sont un magnétomètre trois axes et éventuellement un capteur solaire à grand champ de vue, de façon à voir le soleil dès la sortie d'éclipse et en fin de stabilisation amenant l'axe de spin normalement au plan de l'orbite. Seuls les magnéto-coupleurs sont utilisés pour commander l'attitude. Les lois de contrôle sont très simples. Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels : - ! a figure 1 est un schéma montrant la configuration des lignes de force du champ magnétique terrestre traversées par un satellite circulant sur une orbite polaire ; - ! a figure 2 montre une constitution possible de satellite auquel est applicable l'invention ; - ! a figure 3 montre les orientations successives d'un satellite placé sur une orbite polaire ou sur une orbite très inclinée sur l'équateur, depuis l'injection jusqu'à réduction des vitesses par application de la loi"B spin" ; - ! a figure 4 montre les conditions d'acquisition de la direction du soleil ; - la figure 5 montre les orientations données par la loi"B spin"à un satellite placé sur une orbite polaire héliosynchrone, dont le noeud ascendant est proche de 6h ou 18h en heure locale ; - ! a figure 6 est un schéma synoptique qui montre la constitution de principe d'un dispositif permettant de mettre en oeuvre la loi"B spin"modifiée pour redresser l'axe de spin. Il faut d'abord rappeler que les lignes de force du champ magnétique de la terre T ont, dans un plan passant par les pôles, l'allure générale montrée par les lignes B en figure 1. L'utilisation de la loi en B point permet de dissiper l'énergie de rotation que présente le satellite après séparation du lanceur, ou en cas d'incident, jusqu'à ce que le satellite soit fixe par rapport aux lignes de force du champ magnétique terrestre, ce qui provoque une rotation du satellite, à deux fois la pulsation orbitale (o, autour de la normale au plan de l'orbite. Pour éviter les interactions entre les magnéto-coupleurs et le magnétomètre, les mesures et les mises en oeuvre de magnéto-coupleurs peuvent être effectuées par exemple de façon alternée. On prendra maintenant comme exemple le cas d'un satellite dont la configuration générale est celle donnée en figure 2. Ce satellite comporte une caisse 34 sur laquelle sont montés des générateurs solaires 36 dans une orientation fixe. On désignera par Ys un axe dans le plan des générateurs solaires et par Zs l'axe normal au plan des générateurs solaires. La caisse porte un magnétomètre trois axes 38 et des magnétocoupleurs non représentés permettant de créer des moments de rotation du satellite par interaction avec le champ magnétique terrestre. Elle porte également un capteur solaire 40. On supposera que le satellite est destiné à être placé en orbite polaire basse héliosynchrone et dont l'heure locale du noeud ascendant est proche de midi-minuit avec orientation de l'axe de spin vers le soleil pour obtenir un éclairement maximum des générateurs solaires. On décrira maintenant les étapes successives d'une séquence d'amenée du satellite dans sa configuration permanente sur orbite. 1. Une première étape permet de réduire les vitesses de rotation indésirables, de mettre le satellite en spin, d'amener l'axe de spin vers la normale au plan de l'orbite et d'amortir la nutation. Pour cela, la loi (2) est mise en oeuvre dès séparation d'avec le lanceur (ou en sortie d'un mode survie). Comme on l'a vu plus haut, elle réduit, par dissipation d'énergie, les vitesses angulaires dues par exemple à un transfert de moment cinétique lors de la séparation. - Le biais Bi introduit dans la loi (2) permet d'obtenir rapidement la convergence des vitesses angulaires satellite vers une vitesse constante autour de l'axe choisi (l'axe Zs pour une valeur appropriée de Bi). La mise en spin s'effectue en parallèle dès la fin de réduction des vitesses. La vitesse angulaire atteinte correspond à la somme m, + 2mo de la vitesse de consigne de rotation en axes satellite et de la rotation des lignes de champ magnétique le long de l'orbite. - La loi (2) garantit l'alignement final de l'axe avec la normale au plan de l'orbite, sans risque de capture inverse : l'état convergé stable correspond à la situation où le satellite tourne à la plus grande vitesse angulaire possible (2mo+m !, et non-2mo+ amené à tourner autour d'un axe de spin sélectionné, avec une pulsation de 2coo (positions 10 c à 10 d) + mai. Dans la situation finale, le soleil décrit, en phase jour, un cercle de 60 de rayon angulaire autour de l'axe de visée du capteur solaire 40 dans le cas d'une orbite 10 h ou 14h. Il suffira dans ce cas d'un seul capteur lors de la seconde étape. Si le rayon angulaire dépasse 80 (cas d'une orbite dont l'heure locale du nceud est comprise entre 11 h20 et 14h40) le soleil n'est plus vu à coup sûr par ce capteur d'axe de visée orthogonal au plan des générateurs solaires. Il faut alors prévoir un capteur supplémentaire sur une face pour savoir dans quel sens le couple de redressement de l'axe de spin doit être appliqué. Dans le cas fréquent où l'axe de spin n'est pas l'axe d'inertie maximale, le gain k de la loi (2) doit être suffisant pour que le système reste stable. Pour cela, la bande passante de contrôle doit être supérieure au pôle instable de la dynamique libre. Pour éviter une divergence de la nutation, pouvant aller jusqu'à la nutation à plat, une valeur élevée de k sera souvent nécessaire. 2. La seconde étape est constituée par le redressement de l'axe de spin. Elle est commandée par les signaux d'écart angulaire (dans deux directions, généralement orthogonale), entre la direction du soleil et Zs (normale au plan des générateurs solaires). La figure 4 montre schématiquement le mode d'acquisition utilisant un capteur solaire 40 à grand champ a, fournissant un signal d'écart par rapport à la direction S du soleil dans deux directions, aussi longtemps que le satellite n'est pas dans l'ombre de la terre. Un second capteur, sur une face laterale 44 permet d'obtenir un signal même lorsque le soleil sort du champ, pour des orbites entre 11 h20 et 14h40. Pour réorienter l'axe de spin, on génère par action des magnéto-coupleurs un couple perpendiculaire à l'axe de spin Zs (afin de ne pas perturber le module du moment cinétique) et vers le soleil. Par ailleurs, il n'est possible de fournir du couple que dans le plan normal à la direction du champ magnétique local. On commande donc un couple qui est à la fois dans le plan normal du champ magnétique B et normal à H. On choisit par ailleurs le sens d'actionnement qui rapproche l'axe de spin de la direction du soleil, et une amplitude qui est en fonction croissante de l'écart entre l'axe de spin et la direction du soleil et du sol (par exemple proportionnelle) : C, = Uso !. nB) ne (4) où Kest un gain, uscl est la direction du soleil en axes du satellite, et ne est un vecteur directeur de l'intersection entre le plan normal à H, c'est à dire le plan (Xsat, Ysat), où Ysat est suivant la normale orbitale en pointage géocentrique et le plan normal à B. Dans tous les cas, le redressement sera progressif pour les valeurs habituelles des vitesses de spin et des inerties, le redressement s'effectue généralement en une seule orbite. Les couples servant au redressement de l'axe de spin ont tendance à exciter la nutation. La loi (2) assure l'amortissement de cette nutation, en phase jour comme en éclipse, avec une meilleure performance en éclipse, puisque l'excitation cesse alors. 3. Plutôt que d'attendre que l'étape de réduction des vitesses et d'alignement de l'axe de spin avec la normale orbitale ait convergé (en 2 à 3 orbites typiquement) avant de déclencher la loi de redressement de l'axe de spin, il est possible de faire travailler ces deux lois en parallèle : si le soleil est visible dans le champ du capteur solaire avant la convergence de la phase de"Bspin"seul, le redressement de l'axe commence déjà. Ainsi, la durée complète de l'acquisition est souvent égale à la durée de réduction des vitesses. Ainsi, la séquence complète s'effectue de façon naturelle, sans logique de transition. 4. Il est également possible de déclencher la loi de redressement de l'axe de spin en même temps que l'étape de réduction des vitesses et d'alignement de l'axe de spin avec la normale à l'orbite. Modes d'acquisition et de survie Le mode proposé ne différencie pas l'acquisition et la survie. La loi (2) est applicable pour amener et maintenir le satellite en mode survie, quel qu'il soit. Dans le cas, montré en figure 5, de la survie sur une orbite polaire héliosynchrone proche de 6h-18h, cette loi appliquée à l'axe normal aux générateurs solaires assure la réduction des vitesses, la convergence de la dynamique, l'acquisition solaire et l'état stable de survie sans moment cinétique interne et sans capteur solaire. Le réglage de la vitesse de spin souhaitée (2ù) o+ù),) en tangage (autour de l'axe Zs) permet d'optimiser la performance suivant les perturbateurs extérieurs. Ce mode de survie est particulièrement robuste et n'utilise strictement que des capteurs et actionneurs magnétiques et une loi de contrôle extrêmement simple, sans logique de seuil ni de transition. Les panneaux solaires sont dans une configuration "moulin à vent", c'est-à-dire sensiblement dans le plan de l'orbite. Dans le cas d'une orbite polaire héliosynchrone proche de 12h-24h (cas montré sur la figure 3) ou d'orbites équatoriales, on ne peut pas aligner l'axe de spin vers le soleil. En effet, l'axe de spin s'aligne naturellement avec la normale orbitale par application de la loi (2), tandis que le soleil est plutôt dans le plan de l'orbite. On choisit alors comme axe de spin un des deux axes du plan des générateurs solaires. L'état convergé correspond à une configuration dite"barbecue"où les générateurs sont périodiquement pointés vers le soleil (avec un angle d'incidence minimum correspondant à l'angle entre le plan de l'orbite et la direction du soleil). Si toutefois le bilan de puissance n'est pas satisfaisant, et que l'on désire un état convergé semblable au mode"moulin à vent"d'une orbite 6h-18h, la loi (2) seule n'est pas suffisante et il est nécessaire de revenir à la loi de redressement mentionnée plus haut. La figure 6 montre une constitution de principe possible d'une boucle de commande. Cette boucle comporte un magnétomètre 3 axes 12 fournissant des signaux de sortie qui sont filtrés en 14 pour éliminer les parasites et transitoires. Un organe de calcul 16 détermine la dérivée par rapport au temps de la mesure et la multiple par un gain k. Pour obtenir des constantes de temps d'amortissement égales autour des trois axes, le gain k pour chaque axe est avantageusement normé par le moment d'inertie autour de l'axe considéré. Le terme k. Bi est soustrait en 18. Le couple de commande à appliquer par les magnéto-coupleurs est calculé en 22. Le couple de mise en spin est calculé par la formule (2). Il est égal au produit vectoriel du moment magnétique Kr des magnéto-coupleurs 26, par le champ magnétique réel B. Si le couple requis correspond à un courant trop élevé pour que les magnéto-coupleurs aient une caractéristique linéaire, un organe de calcul supplémentaire peut être prévu pour tenir compte de la saturation en limitant le courant appliqué aux magnéto-coupleurs 26. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'attitude et de stabilisation d'un satellite en orbite terrestre basse, suivant lequel on mesure les composantes du vecteur champ magnétique terrestre suivant les trois axes de mesure d'un trièdre lié au satellite, on en déduit l'orientation du champ magnétique terrestre (em) mesuré dans le trièdre et sa dérivée Bm et on commande des magnéto-coupleurs portés par le satellite pour créer un couple de mise en rotation du satellite à une pulsation (oc) autour d'un axe de spin déterminé du satellite, me étant supérieur à la pulsation 2 (oo, mo étant la pulsation orbitale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise un mode d'acquisition ou de mise en pointage solaire n'utilisant que la mesure du champ magnétique, des magnéto-coupleurs et au moins un capteur solaire. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on commande les magnéto-coupleurs de façon à appliquer au satellite un moment magnétique Mc égal à : Mc=-k (Bm- Bi) où Bm est le champs magnétique terrestre, Bi est un vecteur de consigne représentatif d'une vitesse angulaire de biais, tendant également à amener l'axe de spin orthogonalement au plan de l'orbite. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le biais Bi est généré par application, à l'aide des magnéto-coupleurs, ou bien d'un moment M, = kB. (b m-bJ= kB. (b m-i xb m) où bi est la variation de la direction magnétique de consigne en repère satellite, b est un vecteur B normé et Qi est le vecteur vitesse angulaire souhaité de la direction magnétique bi en repère satellite ou bien un moment qui est dans le plan normal à la direction du champ magnétique B. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on introduit, dans la loi de détermination du moment, un terme tendant à amener l'axe de spin dans une direction déterminée par rapport au soleil. 6. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, après ou pendant la mise en rotation du satellite à vitesse me, on génère, par action des magnéto-coupleurs, un couple perpendiculaire à l'axe de spin pour écarter l'axe de spin de la normale au plan de l'orbite. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on contrôle l'orientation de l'axe de spin de façon à maintenir l'axe de spin orthogonal à des générateurs solaires (36) du satellite et dirigé vers le soleil.