Brevet FR2832883A1 — publié le 20030530

La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de transmission de signaux pour un véhicule spatial. El le concerne plus particulièrement un système de transmission de signaux numériques, particulièrement de télémesure et/ou de télécommande, pour un véhicule spatial. A bord d'un véhicule spatial tel qu'un satellite sont embarqués de nombreux équipements électroniques o tels que des amplificateurs, des récepteurs, des caloulateurs,.... Ces équipements, souvent redondants pour des raisons de fiabilité, appartiennent par exemple au système de transmission de signaux télévisés ou télophoniques par satellite, ou bien aux systèmes assurant les fonctions de service à bord du satellite (gestion de bord, pilotage, alimentation, etc...). Lors du lancement du satellite, une configuration de fonctionnement nominale est choisie, c'est-à-dire que l'on a sélectionné un certain nombre d'équipements pour les fonctions de service, un certain nombre de canaux pour la transmission de signaux téléphoniques et un certain nombre de canaux pour la transmission de signaux télévisés. Au cours de la vie du satellite, et pour des raisons commerciales notamment, il se peut que cette configuration soit modifice. Afin de reconfigurer les équipements pour satisfaire à la demande, les stations de commande et de contrôle au sol émettent par voie herEzienne des signaux de télécommande (TC) transmis à un récepteur se trouvant à bord du satellite et les envoyant à une Unité Centrale numérique UC de contrôle constituée d'une unité de traitement de ces signaux appelée CTU ("Control Terminal Unit") et de plusieurs unités de transmission appelées RTA ("Remote Terminal Unit") chargées de transmettre ces signaux aux différents équipements. Les signaux de TC peuvent aussi servir à choisir parmi les équipements redondants ceux qui seront effectivement actifs, notamment au niveau des systèmes assurant les fonctions de service à bord du satellite. Les signaux de TC servent donc à contrôler et assurer la gestion du fonctionnement de l' ensemble des équipements électroniques embarqués à bord. Il est par ailleurs touj ours souhaitable d'effectuer des tests de contrôle, soit pour vérifier que les signaux de TC ont bien été exécutés, soit pour détecter depuis le sol des pannes éventuelles risquant de nuire au bon fonctionnement du satellite ou de perturber les signaux transmis. Les différents équipements émettent pour cela en direction de l'Unité Centrale des signaux de télémesure(TM), transmis aux stations au sol par des émetteurs adaptés se trouvant à bord du satellite et en relation avec l'Unité Centrale. Les signaux de TM peuvent être émis soit en réponse à des signaux de TC, soit de manière systématique pour le contrôle permanent de l'état des équipements embarqués. La transmission des signaux de TM et de TC entre l'Unité Centrale et les différents équipements est effectuée de manière classique au moyen de liaisons filaires par l' intermédiaire de câbles; l' ensemble des liaisons filaires destinées à la transmission des signaux de télécommande et de télémesure est appelé harnais TM-TC. On sait qu'un souci constant lors de la conception d'un satellite est de réduire autant que possible la masse embarquée, afin de diminuer le coût du lancement ainsi que le coût en carburant nécessaire au maintien du satellite en orbite, ou bien afin d' augmenter la durée de maintien en ortite d'un satellite pour une même quantité de carburant embarquée. Or le harnais TM-TC a une masse importante (de l'ordre de quelques dizaines de kilogrammes). En effet, les liaisons filaires sont nombreuses, puisque chacune delles doit être bidirectionnelle entre l'équipement considéré et l'Unité Centrale, afin d'assurer la séparation d'une part des signaux de TM et de TC, et d'autre part des signaux concernant chacun des équipements. De plus, le coût d'un tel harnais est élevé du fait de la durée de conception du harnais, et lo des temps de test et de vérification de chaque fil et connocteur. En outre, les câbles utilisés pour réaliser ces liaisons sont la plupart du temps des câbles blindés pour éviter les perturbations dues à des rayonnements électromagnétiques parasites. es solutions connues pour la réduction des harnais en masse et en nombre de liaisons existent sous deux formes: les bus filaires pour la réduction du nombre de fils, ou les liaisons sans fils pour la suppression des fils. o Le principe du bus est de multiplexer dans le temps les signaux de TM/TC préalablement numérisés et de les véhiculer en série et à haute cadence (1 Mbps) sur un bus filaire. Les quelques fils du bus sont reliés, par exemple, de proche en proche aux équipements ("daisy chain" en anglais). Cette solution ne supprime pas entièrement le harnais et oblige les équipements reliés à fonctionner à grande cadence. Les problèmes de compatibilité électromagnétique augmentent et les blindages nécessaires accroissent la masse du o harnais. Les problèmes de propagation de pannes complique les schémas de redondance. Enfin, les modules terminaux en bout de la liaison du bus dans les équipements sont complexes et largement surdimensionnés pour le volume de TM/TC habituel des équipements micro ondes ordinaires (par exemple pour lamplificateur de canal ou le convertisseur de fréquences). Le principe des liaisons sans fils consiste, lui, à utiliser soit des ondes radiofréquences, soit de la lumière infrarouge (IR) pour transmettre, par rayonnement en espace libre, les signaux. En ce qui concerne les liaisons radiofréquences, celles-ci complexifient notablement les problèmes de compatibilité électromagnétique (avec l'équipement lui lo même, les bancs de test, le satellite, le lanceur et le pas de tir). La caractérisation du canal de transmission est très délicate (intérieur d'une cage de Faraday encombrée de masses métalliques) et évolue selon le dogré d'intégration du satellite (panneaux à plat, module de communication intégré, satellite en configuration de vol). Quant au principe de transmission de signaux TM/TC par infrarouge, un système utilisant un tel principe est décrit dans le brevet FR2696890 déposé par o la société Alcatel Espace. Malgré ses multiples intérêts, les liaisons infrarouges posent des problèmes de zones d'ombre et requièrent une visibilité optique entre émetteurs et récepteurs, ce qui contraint l'aménagement du satellite. En outre, les déUits z5 envisageables dépendent fortement de la géométrie du système, sachant que cette géométrie évolue selon le degré d'intégration du satellite. Le but de la présente invention est donc dobtenir un système de transmission de signaux numériques de télémesure et/ou de télécommande pour un véhicule spatial qui puisse s'affranchir de la majorité des problèmes de visibilité et de bilan de liaison caractéristiques des liaisons infrarouges dans un espace limité et encombré (intérieur de satellite), tout en conservant ses avantages. A cet effet, l' invention a pour objet un système de transmission de signaux numériques pour un véhicule spatial, comprenant au moins un émetteur et au moins un récepteur et une liaison de transmission entre l'émetteur et le récepteur, caractérisé en ce que la liaison entre lesdits émetteur et récepteur comprend lo une première partie définie par un mode de propagation guidée apte à transmettre lesdits signaux numériques convertis en signaux infrarouges, et une seconde partie consécutive à ladite première partie et définie par un mode de propagation rayonnée en espace libre, et des s moyens de jonction entre la première et la seconde parties pour la transmission des signaux entre la première et la seconde partie. De cette sorte, l' invention présente l'avantage de combiner astucieusement les deux modes de propagation de l'infrarouge (guidé et espace libre) en supprimant les inconvénients de chaque mode (le connecteur pour le mode guidé et la zone d'ombre pour le mode de rayonnement en espace libre) tout en bénéficiant des avantages de chaque mode (pas de zone d'ombre pour le mode guidé et pas de connecteurs pour le mode rayonné). Grâce à l' invention, un réscau de fibres optiques peut transporter les signaux numériques depuis un émetteur, par exemple un contrôleur TM/TC, vers les zones voisines d'un récepteur qui peut être un équipement. En bout de fibre optique, la lumière infrarouge est propagée en espace libre vers des moyens de réception qui peuvent être des détecteurs montés sur les équipements. L'absence de connecteurs sur les équipements simplifie l'intégration. Selon un mode de réalisation, l'émetteur et/ou le récepteur comprend des moyens de contrôle pour ltémission de signaux de télécommande, et/ou un équipement capable d'émettre des signaux de télémesure à destination de l'émetteur. Selon un mode de réalisation, ladite première partie en fibre optique est apte à véhiculer de facon bidirectionnelle les signaux infrarouges. Selon un mode de réalisation, les moyens de lo janction entre la première et la seconde parties comprennent des moyens d'émission en espace libre des signaux infrarouges véhiculés sur la première partie, ces derniers moyens d'émission étant aptes à rayonner lesdit signaux infrarouges vers des moyens de réception de signaux infrarouges rayonnés du récepteur, et/ou des moyens de réception des signaux infrarouges véhiculés en espace libre sur la seconde partie, ces derniers moyens de réception étant aptes à recevoir lesdit signaux infrarouges de moyens d'émission de signaux infrarouges du récepteur. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d'émission et de réception de l'émetteur et du récepteur sont aptes à fonctionner de facon bidirectionnelle. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d'émission et de réception de l'émetteur et du récepteur comprennent des diodes à infrarouges. Selon un mode de réalisation, une unique fibre optique est employée pour réaliser la liaison de ladite première partie. Selon un mode de réalisation, le protocole de communication régissant la communication entre lesdits émetteur et récepteur est un protocole du type maître esclave dans lequel l'émetteur est le maître et le récepteur est l'esclave Selon un mode de réalisation, deux longueurs d'onde différentes sont utilisces sur ladite première partie en fibre optique, une première des longueurs d'onde pour la transmission des signaux infrarouges de l'émetteur vers le récepteur et la seconde pour la transmission des signaux infrarouges du récepteur vers l'émetteur. Selon un mode de réalisation, le système comprend des moyens d'ajustage du cône de rayonnement et lo d' acceptance desdits moyens d'émission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction, et/ou en ce que le système comprend des moyens de filtrage des rayonnements parasites. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d'émission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction sont agencés de manière à illuminer une zone comportant plusieurs desdits récepteurs, et en ce que lesdits moyens de réception et/ou d'émission des récepteurs équipent respectivement les récepteurs de manière à être en visibilité optique desdits moyens démission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction. Selon un mode de réalisation, lesdits moyens d'émission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction sont agencés à proximité desdits moyens de réception et/ou d'émission équipant un récepteur de manière à n'illuminer uniquement celui-ci. Selon un mode de réalisation, une pièce de guidage est insérée entre l'extrémité de la fibre o optique et les moyens de réception et/ou d'émission équipant le récepteur. Selon un mode de réalisation, ladite pièce de guidage est comprise dans un panneau de support dudit récepteur et en ce que, sur une longueur déterminée, la fibre optique longe le panneau ou est comprise dans celuici. L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l' invention. Les figures montrent: lo - Figure 1: une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système selon l' invention, - Figure 2: une représentation schématique d'une variante du système de la figure 1, - Figure 3: une représentation schématique d'une seconde variante du système de la figure 1, La figure 1 représente un système pour la transmission de signaux de télécommande TC à des o équipements E1, E2, E3, EN, et d'autre part pour la réception de signaux de télémesure émis par ces derniers. Les équipements E1 à EN sont tous disposés sur les parois intérieures d'un satellite, non représentées, et ce pour des raisons d'écoulement du flux thermique vers l'espace extérieur au satellite. Le système 1 comprend: - un module de contrôle C qui gère les transmissions vers et depuis les équipements (format et protocole), - un convertisseur 21 des signaux de commande TC sous forme infrarouge à destination des équipements, - un détecteur et convertisseur 22 pour détecter et convertir les signaux d' acquisition TM émis par les équipements, - une interface 3 avec un système 4 de gestion de données du satellite, ou unité centrale numérique, généralement dénommé calculateur de bord. Le calculateur de bord assure également l' interface avec des émetteurs et des récepteurs (non représentés) en communication avec des stations au sol. Le module de contrôle peut être séparé ou être intégré au calculateur de bord. Le module de contrôle a pour fonction de mettre les signaux de TC sous forme numérique (si ces derniers ne le sont pas déjà), puis de les coder (les moyens lo exercant ces deux fonctions étant connus en soi, ne sont pas représentés), et enfin de les convertir en signaux optiques au niveau du convertisseur 21 afin de les véhiculer dans les fibres optiques 51 et 52. Les extrémités des fibres 51, 52 sont équipées de dispositifs optiques D1, D2 permettant la diffusion rayonnée en espace libre des signaux optiques vers des photo-récepteurs D1', D2' correspondants. Ces photodétecteurs D1', D2' sont agencéss sur une face des équipements récepteurs EN-1, EN en regard des extrémités correspondantes des fibres. Ces dispositifs peuvent être réduits à leur plus simple expression sous la forme d'extrémité de fibre façonnce (taillager, polissage). Ces dispositifs peuvent être pourvus, comme expliqué plus loin, de 2s systèmes optiques géométriques plus complexes: lentilles, prismes, collimateurs, miroirs plans, concaves, convexes, etc. connus en soi. I1 est bien entendu que tout dispositif optique de réception/émission rayonnée en espace libre de o signaux infrarouges peut être envisagé à la place des dispositifs D1, D2. Les dispositifs optiques D1 à D3 servent alors d' interfaces de janction entre les deux modes de transmission. Les photodétecteurs D1', D2' équipant les équipements font partie d'un module 6 infrarouge assurant la conversion des signaux infrarouges rayonnés requs en signaux électriques pour un traitement ultérieur. Un équipement, tel que celui référencé E2, est lui destiné à fournir au module de contrôle une information de télémesure. Son module 6 infrarouge comporte une photo-diode D3' émettrice à infrarouges et son optique associée. Le dispositif optique D3 en regard de D3' et agencé à l'extrémité de la fibre 53 est apte à fonctionner en réception. I1 a été représenté sur la figure 1 les diagrammes 8a et 8b de rayonnement respectif du dispositif optique D1 et du module 6 à titre d' illustration. On a également schématisé sous forme de flèches, une première partie référencée P1 correspondant à la partie de liaison entre le module de contrôle et l'équipement qui est formoe par fibre optique et une seconde partie P2 qui o est une liaison par rayonnement en espace libre. On notera que le module 6 assure également la gestion des formats et du protocole. Le système comprend toutes les redondances nécessaires (duplications de liaisons module de contrôle-équipements, etc) pour obtenir le niveau de fiabilité recherché et l'absence de point de panne unique. En variante, il peut être utilisé une unique fibre pour transporter de façon bidirectionnelle les signaux infrarouges entre d'une part le module de contrôle et d'autre part les équipements E1,... EN. Ceci présuppose de définir un protocole de communication basé sur le principe de maître esclave o seul le maître (le module de contrôleur) a l' initiative de la transmission et déLinit les priorités. Les esclaves (les équipements) n'émettent chacun à leur tour qu'à la requête du contrôleur. En outre, il est avantageux dutiliser deux longueurs d'onde différentes sur cette seule fibre, l'une des longueurs d'onde étant réservoe pour la voie aller (pour le transport des signaux TC de télécontrôle) et l'autre longueur d'onde étant elle réservoe pour la voie retour (transport des signaux TM de télémesure). Cette caractéristique supplémentaite lo d'utilisation de deux longueurs d'onde permet de réaliser une meilleure isolation entre les signaux de la voie aller avec ceux de la voie retour, et rend possible aussi la mise en oeuvre de différents protocoles de communication. Il est à remarquer que le harnais à fibre optique peut être de conception identique pour tous les satellites et charges utiles (ce qui permet une standardisation de celui-ci). Ce harnais optique peut être passif (dans le cas de fibres et de coupleurs optiques passifs) ou actifs (lorsque des amplificateurs de lumière sont insérés sur la partie P1). Comme représenté sur la variante de la figure 2, l'extrémité de la fibre 5 peut être munie d'un dispositif 7 optique d'ajustage, du type d'une lentille, miroir, ou prisme par exemple, pour ajuster, modifier ou orienter le cône 8b de rayonnement et le cône 8a d' acceptance ou encore filtrer les rayonnements parasites. L'extrémité de la fibre peut également être façonnée pour modifier ou orienter le cône de rayonnement / acceptance. Un aspect important de l' invention est l'étendue de la zone o intervient la propagation en espace libre des signaux infrarouges: celle- ci peut être large (illumination azimutale ou zénithal) ou réduite (illumination semi-guidée). Dans le cas d'une illumination d'étendue large, comme représenté sur la figure 2, les dispositifs optiques D4 et D5 des fibres 54 et 55 illuminent une large zone contenant plusieurs équipements E3 à E8. Cette illumination est zonithale, c'est à dire au dessus des équipements, pour les équipements E3 à E5 illuminés par le dispositif D4 et qui ont leur module 6 infrarouge sur la façade supérieure; l' illumination est azimutale, c'est à dire sur les façades latérales lo des équipements E6 à E8 qui sont alors alignés dans le cône d'illumination de la diode D5. La figure 3 illustre le cas d'une illumination semi-guidée. Une fibre 56 relie le module MC de contrôle à un dispositif optique D6 émettreur/récepteur à infrarouges. Dans ce mode de réalisation, l'extrémité de la fibre que constitue le dispositif D6 illumine le module 6 à infrarouges d'un seul équipement 59 à très courte distance. L'extrémité de la fibre aboutit à l'extrémité d'un tube 11 (vide, transparent ou fictif), le module 6 de l'équipement étant disposé à l'autre extrémité du tube. Le tube peut être un "insert" spécial, ou pièce de guidage 11, l'équipement E9 est alors monté sur son panneau 9 de support avec le module 6 à infrarouges sur la face de montage et aligné avec l' insert spécial. Un exemple de cette pièce de guidage est présentée dans une vue agrandie dans la zone 10. La pièce de guidage est insérée dans le panneau 9 et la fibre optique peut en sortir pour longer sur une longueur prédéterminée le panneau jusqu'au module de contrôle, ou comme représenté, être intégrée dans le panneau. Le même principe d'illumination semi-guidée peut être retenu pour un module à infrarouges monté sur une des faces latérales de l'équipement. Bien entendu, les modes de réalisation d' illuminations ne sont pas limités à ceux décrits. Ainsi, les avantages de l' invention sont multiples. En effet, l' invention permet: - la réduction du harnais en masse et en nombre de liaisons. La fibre optique est moins lourde et plus souple que les câbles en cuivre. Une seule fibre suffit pour les deux sens de transmission (hors redondance) et pour tous les signaux de TM/TC; - l'élimination des problèmes de compatibilité lo électromagnétique et de décharge électrostatique; - la réduction des durées d' assemblage, test et intogration; - la standardisation du harnais et de son routage pour les bus (les plate-formes de satellites) dune même famille (une même famille étant définie par un même châssis et des caractéristiques physiques communes). En plus, l' invention permet la combinaison astucieuse des deux modes de propagation des signaux optiques infrarouges sur la même liaison, à savoir l'espace libre et la fibre optique, et ce sans composant actif d' interface entre les deux parties. Ceci permet de s'affranchir de la majorité des problèmes de visibilité et de bilan de liaison des liaisons sans fils infrarouges dans un espace limité et encombré (intérieur de satellite) et d'en conserver les avantages (pas de connecteur et de probléme de compatibilité électromagnétique). R E V E N D I C A T I O N S 1- Système de transmission de signaux numériques pour un véhicule spatial, comprenant au moins un émetteur (MC, E2) et au moins un récepteur (El-E9) et une liaison (P1, P2) de transmission entre l'émetteur et le récepteur, caractérisé en ce que la liaison entre lesdits émetteur et récepteur comprend une première partie (P1) définie par un mode de propagation guidée apte à transmettre lesdits signaux numériques (TM, TC) convertis en signaux infrarouges de manière guidée, et une seconde partie ( P2) consécutive à ladite première partie et définie par un mode de propagation rayonnée en espace libre, et des moyens (D1-D6) de jonction entre la première et la seconde parties pour la transmission des signaux entre la première et la seconde partie. 2- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur et/ou le récepteur comprend des moyens de contrôle (MC) pour l'émission de signaux de télécommande, et/ou un équipement (E2) capable d'émettre des signaux de télémesure à destination de l'émetteur. 3- Système selon la revendication 1 ou 2, carac tér is é en ce que ladi te premi ère part ie en f ibre optique est apte à véhiculer de facon bidirectionnelle les signaux infrarouges. 4- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de janction entre la première et la seconde parties comprennent des moyens d'émission (D1, D2, D4-D6) en espace libre des signaux infrarouges véhiculés sur la première partie, ces derniers moyens démission étant aptes à rayonner lesdit signaux infrarouges vers des moyens (D1', D2') de réception de signaux infrarouges rayonnés du récepteur, et/ou des moyens de réception (D3) des signaux infrarouges véhiculés en espace libre sur la seconde partie, ces derniers moyens de réception étant aptes à recevoir lesdit signaux infrarouges de moyens (D3') d'émission de signaux infrarouges du récepteur. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens démission et de réception de l'émetteur et du récepteur sont aptes à fonctionner de façon bidirectionnelle. 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception de l'émetteur et du récepteur comprennent respectivement une diode à infrarouges et un photorécepteur. 7- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une unique fibre optique est employée pour réaliser la liaison de ladite première partie. 8- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le protocole de communication régissant la communication entre lesdits émetteur et récepteur est un protocole du type maître- esclave dans lequel l'émetteur est le maître et le récepteur est l'esclave. 9- Système selon ltune des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que deux longueurs d'onde différentes sont utilisoes sur ladite première partie en fibre optique, une première des longueurs d'onde pour la transmission des signaux infrarouges de l'émetteur vers le récepteur et la seconde pour la transmission des signaux infrarouges du récepteur vers l'émetteur. - Système selon l'une des revendications précédentes en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que le système comprend des moyens d' agustage (7) du cône de rayonnement et d' acceptance desdits moyens d'émission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction, et/ou en ce que le système comprend des moyens de filtrage des rayonnements parasites. 11- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesUits moyens d'émission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction sont agencés de manière à illuminer une zone comportant plusieurs desdits récepteurs, et en ce que lesdits moyens de réception et/ou d'émission des récepteurs équipent respectivement les récepteurs de manière à être en visibilité optique desdits moyens d'émission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction. 12- Système selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et/ou des moyens de réception formant moyens de jonction sont agencés à proximité desdits moyens de réception et/ou d'émission équipant un récepteur de manière à n'illuminer uniquement celui-ci. 13- Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une pièce (11) de guidage est insérée entre l'extrémité de la fibre optique et les moyens de réception et/ou d'émission équipant le récepteur. 14Système selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite pièce de guidage est comprise dans un panneau (9) de support dudit récepteur et en ce que, sur une longueur déterminée, la fibre