Brevet FR3054670A1 — publié le 20180202

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention appartient au domaine de l'observation de satellites en orbite terrestre. La présente invention concerne plus particulièrement un système et un procédé d'estimation d'une direction d'un satellite en phase de transfert depuis une orbite terrestre, dite « orbite initiale », vers une autre orbite terrestre, dite « orbite de mission ». Cette estimation vise par exemple à restituer l'orbite du satellite pendant la phase de transfert. La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que non limitative, pour la surveillance de la mise à poste de satellites en orbite géostationnaire (« Geostationary Orbit » ou « GEO ») à partir d'une orbite de transfert géostationnaire (« Geostationary Transfer Orbit » ou « GTO »), en particulier lorsque la mise à poste est effectuée par des moyens de propulsion électrique du satellite ou d'un véhicule porteur assurant le transport dudit satellite depuis l'orbite GTO vers l'orbite GEO. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Des stations terrestres de télémesure/télécommande (TT&C) sont généralement mises en oeuvre pour surveiller la phase de transfert d'un satellite depuis une orbite GTO, sur laquelle ledit satellite a été injecté par un lanceur, vers une orbite GEO. De telles stations TT&C comportent une antenne très directive afin d'assurer un niveau de réception suffisant pour décoder un signal de télémesure émis par le satellite au cours de la phase de transfert, et mobile afin de suivre le déplacement dudit satellite pendant la phase de transfert. La direction estimée correspond à la direction de pointage de l'antenne qui permet de maximiser la mesure de puissance de réception du signal de télémesure. L'utilisation de stations TT&C est très coûteuse, de sorte que la durée de location d'une station TT&C doit de préférence être réduite le plus possible. Toutefois, dans le cas d'une mise à poste en orbite GEO par des moyens de propulsion électrique, la durée de transfert dure entre environ 3 mois (dans le cas d'une mise à poste par des moyens de propulsion mixtes électrique/chimique) et environ 6 mois (dans le cas d'une mise à poste par des moyens de propulsion exclusivement électrique). Les coûts de location de stations TT&C sur de telles durées (3 à 6 3054670 2 mois) sont prohibitifs. En outre, si la mise à poste en orbite GEO par des moyens de propulsion électrique continue à se développer, les réseaux de stations TT&C actuels seront rapidement dépassés par la demande. Une alternative consisterait à n'utiliser les stations TT&C pour ne 5 surveiller qu'occasionnellement la phase de transfert du satellite. Dans un tel cas, la trajectoire prévue dudit satellite serait utilisée pour estimer la direction du satellite au moment d'utiliser une station TT&C, afin de diriger l'antenne de ladite station TT&C dans la direction prévue. Toutefois, si le satellite ne se trouve pas dans la direction prévue, par 10 exemple du fait d'une défaillance des moyens de propulsion électrique, ledit satellite serait perdu et ne pourrait éventuellement être retrouvé qu'en effectuant un balayage de l'espace au moyen d'une ou de plusieurs stations TT&C. Du fait de la très forte directivité de l'antenne d'une station TT&C, un tel balayage s'avérerait cependant long et coûteux. 15 Afin de remédier à ces inconvénients, il pourrait être envisagé d'utiliser des systèmes équipés d'antennes moins directives que celles des stations TT&C conventionnelles. Toutefois, le signal de télémesure émis par le satellite serait alors reçu avec un niveau de puissance très en dessous du plancher de bruit. En outre, les antennes utilisées étant moins directives, de tels systèmes 20 seraient plus sensibles à la présence d'interférences ayant des directions d'arrivée proches de celle du signal de télémesure dudit satellite considéré. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des limitations des solutions de l'art antérieur, notamment celles exposées ci-avant, 25 en proposant une solution qui permette d'estimer la direction d'un satellite en phase de transfert avec des antennes moins directives que celles des stations TT&C conventionnelles. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé d'estimation d'une direction d'un satellite au cours d'une phase de 30 transfert dudit satellite depuis une orbite terrestre, dite « orbite initiale », vers une autre orbite terrestre, dite « orbite de mission », ladite direction dudit satellite étant estimée par rapport à une antenne de mesure en exécutant une pluralité d'étapes de mesure de puissance de réception, par ladite antenne de 3054670 3 mesure, d'un signal cible émis par ledit satellite, pour différentes directions de pointage de ladite antenne de mesure, la direction estimée dudit satellite correspondant à une direction de pointage permettant de maximiser la mesure de puissance. Selon l'invention, le signal cible comportant une composante 5 sensiblement sinusoïdale, dite « composante mono-fréquence », chaque étape de mesure de puissance comporte une transposition dans le domaine fréquentiel d'un signal numérique, obtenu à partir d'un signal fourni par l'antenne de mesure, de sorte à obtenir un spectre fréquentiel dudit signal numérique sur une bande fréquentielle prédéterminée comportant la 10 composante mono-fréquence, dite « bande de mesure », et la mesure de puissance pour la direction de pointage considérée est déterminée à partir d'une valeur maximale du spectre fréquentiel. Ainsi, la direction du satellite est estimée en maximisant la mesure de puissance de réception d'un signal cible émis par le satellite, par exemple le 15 signal de télémesure dudit satellite. Toutefois, la mesure de puissance est effectuée dans le domaine fréquentiel, ce qui présente plusieurs avantages. D'une part, l'acquisition du signal numérique sur une durée assez importante, puis son traitement dans le domaine fréquentiel revient à réaliser plusieurs corrélations dudit signal numérique avec des signaux sinusoïdaux 20 correspondant aux différentes fréquences discrètes considérées dans le domaine fréquentiel. De telles dispositions introduisent un gain de traitement plus important que dans les stations TT&C conventionnelles, en particulier sur la composante mono-fréquence du signal cible, qui est sensiblement sinusoïdale. Ce gain de traitement plus important permet, dans le cas d'une 25 utilisation d'antennes moins directives que celles des stations TT&C conventionnelles, d'améliorer significativement le rapport signal sur bruit d'un signal cible qui présenterait, en sortie de l'antenne de mesure, un niveau de puissance très inférieur au plancher de bruit. D'autre part, la transposition dans le domaine fréquentiel permet de 30 supprimer les interférences qui, bien que présentant des directions d'arrivée proches de celle du signal cible émis par le satellite, sont disjointes en fréquences dudit signal cible. Il suffit en effet de considérer une bande de mesure comportant au moins la fréquence de la composante mono-fréquence 3054670 4 du signal cible mais pas les fréquences desdites interférences. En se concentrant plus particulièrement sur la composante mono-fréquence, qui est sensiblement sinusoïdale, il est possible d'avoir une sélectivité fréquentielle importante, et donc d'être particulièrement robuste vis-à-vis des interférences. 5 Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé peut comporter en outre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, la largeur de la bande de mesure considérée au cours d'une étape de mesure de puissance peut 10 prendre plusieurs valeurs différentes. De telles dispositions permettent, notamment, d'améliorer progressivement la sélectivité fréquentielle vis-à-vis des interférences. En effet, plusieurs paramètres peuvent influencer dans des ordres de grandeur différents la fréquence de la composante mono-fréquence du signal 15 cible. D'une part, celle-ci est générée avec des moyens de synthèse fréquentielle qui introduisent, à l'émission, un étalement fréquentiel d'un ordre de grandeur faible (typiquement quelques hertz) qui fait que la fréquence de ladite composante mono-fréquence n'est pas strictement égale à une fréquence théorique souhaitée pour l'émission de ladite composante mono- 20 fréquence. En outre, la fréquence sur laquelle la composante mono-fréquence du signal cible est reçue est généralement différente de la fréquence sur laquelle ladite composante mono-fréquence a été émise, du fait d'un décalage Doppler introduit par le déplacement du satellite par rapport à l'antenne de mesure et qui est d'un ordre de grandeur plus important (typiquement quelques 25 centaines de kilohertz). Par conséquent, avant d'avoir détecté le satellite, l'incertitude sur la fréquence du signal cible est potentiellement importante, et il est donc préférable d'utiliser une bande de mesure suffisamment large pour assurer que la fréquence de ladite composante mono-fréquence se trouve à l'intérieur de 30 ladite bande de mesure considérée. Une fois la composante mono-fréquence détectée, il est possible de considérer une bande de mesure plus étroite, recentrée sur la fréquence de ladite composante mono-fréquence, afin d'améliorer la suppression des éventuelles interférences reçues en même 3054670 5 temps que la composante mono-fréquence. Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, la largeur de la bande de mesure considérée au cours d'une étape de mesure de puissance est déterminée en fonction du temps écoulé depuis l'étape de mesure de 5 puissance précédente. De telles dispositions permettent d'améliorer la sélectivité fréquentielle, et donc la suppression des interférences. En effet, l'incertitude sur la fréquence de la composante mono-fréquence augmente avec le temps écoulé entre deux mesures de puissance. Par conséquent, la prise en compte du temps écoulé 10 entre deux mesures de puissance permet d'ajuster au mieux la largeur de la bande de mesure considérée, qui pourra être choisie la plus faible possible tout en assurant qu'elle comporte la fréquence de la composante mono-fréquence. Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le signal numérique est obtenu sur une bande fréquentielle prédéfinie, dite « bande d'acquisition », 15 et chaque bande de mesure considérée est une sous-bande fréquentielle de ladite bande d'acquisition. Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, la bande de mesure considérée au cours d'une étape de mesure de puissance est centrée sur une fréquence estimée de ladite composante mono-fréquence. 20 Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé d'estimation de la direction du satellite comporte : - une estimation d'un décalage Doppler affectant une fréquence théorique de ladite composante mono-fréquence dans la direction de pointage considérée, en fonction d'une trajectoire théorique du 25 satellite, - une estimation de la fréquence de ladite composante mono- fréquence en fonction de la fréquence théorique de ladite composante mono-fréquence et du décalage Doppler estimé. Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, l'estimation du 30 décalage Doppler s'effectue par pré-compensation du signal numérique sur un ensemble d'hypothèses de valeurs de pente de variation de fréquence, pour en déterminer l'hypothèse la plus réaliste. Cette étape a lieu avant toute analyse fréquentielle du signal, L'étendue des hypothèses (en nombre, en valeur et en 3054670 6 espacement entre chaque hypothèse) de pré-compensation est liée à la cinématique attendue du satellite. Cette pré-compensation permet, pour l'hypothèse la plus réaliste testée, de réduire l'étalement fréquentiel du signal cible et ainsi de favoriser sa 5 détection et d'améliorer la qualité de la mesure de puissance effectuée sur celui-ci. Ainsi, le domaine d'utilisation de l'invention peut être étendu à une plage cinématique du satellite plus vaste. On peut citer par exemple des situations où le bilan de liaison de la transmission bord-sol est défavorable (faible rapport signal-sur-bruit) voire inaccessible sans ce dispositif de 10 prétraitement. Cette pré-compensation permettrait également d'effectuer le suivi de satellites se trouvant sur des orbites plus basses (en orbite LEO par exemple). Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, le procédé d'estimation de la direction du satellite comporte une estimation de la 15 fréquence de la composante mono-fréquence en fonction du spectre fréquentiel du signal numérique. Dans des modes particuliers de mise en oeuvre, ladite composante mono-fréquence étant affectée par un étalement fréquentiel de largeur maximale EF autour d'une fréquence théorique de ladite composante mono- 20 fréquence, le signal numérique avant transposition dans le domaine fréquentiel est de durée AT telle que : 1 1 REVENDICATIONS1 - Procédé (50) d'estimation d'une direction d'un satellite (20) au cours d'une phase de transfert dudit satellite depuis une orbite terrestre, dite « orbite initiale », vers une autre orbite terrestre, dite « orbite de mission », ladite direction dudit satellite étant estimée par rapport à une antenne (30) de mesure en exécutant une pluralité d'étapes (52) de mesure de puissance de réception, par ladite antenne de mesure, d'un signal cible émis par ledit satellite (20), pour différentes directions de pointage de ladite antenne de mesure, la direction estimée dudit satellite correspondant à une direction de pointage permettant de maximiser la mesure de puissance, caractérisé en ce que, le signal cible comportant une composante sensiblement sinusoïdale, dite « composante mono-fréquence », chaque étape (52) de mesure de puissance comporte une transposition dans le domaine fréquentiel d'un signal numérique, obtenu à partir d'un signal fourni par l'antenne (30) de mesure, de sorte à obtenir un spectre fréquentiel dudit signal numérique sur une bande fréquentielle prédéterminée comportant ladite composante mono-fréquence, dite « bande de mesure », et la mesure de puissance pour la direction de pointage considérée est déterminée à partir d'une valeur maximale du spectre fréquentiel sur ladite bande de mesure considérée. Procédé (50) selon la revendication 1, dans lequel la largeur de la bande de mesure considérée au cours d'une étape (52) de mesure de puissance peut prendre plusieurs valeurs différentes. Procédé (50) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la largeur de la bande de mesure considérée au cours d'une étape (52) de mesure de puissance est déterminée en fonction du temps écoulé depuis l'étape de mesure de puissance précédente. Procédé (50) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le signal numérique est obtenu sur une bande fréquentielle prédéfinie, dite « bande d'acquisition », et dans lequel chaque bande de mesure considérée est une sous-bande fréquentielle de ladite bande d'acquisition. Procédé (50) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la bande de mesure considérée au cours d'une étape (52) de mesure de2 - 3 - 4 - 5 - 3054670 34 puissance est centrée sur une fréquence estimée de ladite composante mono-fréquence. 6 - Procédé (50) selon la revendication 5, comportant : - une estimation d'un décalage Doppler affectant une fréquence 5 théorique de ladite composante mono-fréquence dans la direction de pointage considérée, en fonction d'une trajectoire théorique du satellite, - une estimation de la fréquence de ladite composante mono-fréquence en fonction de la fréquence théorique de ladite 10 composante mono-fréquence et du décalage Doppler estimé. 7 - Procédé (50) selon l'une des revendications 5 à 6, comportant une estimation de la fréquence de la composante mono-fréquence en fonction du spectre fréquentiel du signal numérique. 8 - Procédé (50) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, 15 ladite composante mono-fréquence étant affectée par un étalement fréquentiel de largeur maximale ÔF autour d'une fréquence théorique de ladite composante mono-fréquence, le signal numérique avant transposition dans le domaine fréquentiel est de durée AT telle que : 1 1 2 .EF Ef 20 9 - Procédé (50) selon l'une des revendications précédentes, comportant une phase (60) de recherche et une phase (70) de confirmation : - la phase (60) de recherche comporte une étape (52) de mesure de puissance de réception pour une direction de pointage à l'intérieur d'un premier cône de balayage prédéterminé autour d'une direction 25 théorique du satellite, et une étape (53) d'évaluation d'un critère prédéterminé de détection en fonction de la mesure de puissance obtenue pour la direction de pointage considérée, lesdites étapes de (52) mesure de puissance et (53) d'évaluation étant répétées pour une autre direction de pointage à l'intérieur du premier cône 30 de balayage tant que le critère de détection n'est pas vérifié, - la phase (70) de confirmation, exécutée lorsque le critère de détection est vérifié pour une mesure de puissance obtenue pour 3054670 une direction de pointage, dite « direction de détection », comporte plusieurs étapes (52) de mesure de puissance exécutées pour des directions de pointage respectives différentes à l'intérieur d'un second cône de balayage autour de la direction de détection, la 5 direction estimée du satellite (20) correspondant à la direction de pointage permettant de maximiser la mesure de puissance au cours de ladite phase (70) de confirmation. 10 - Procédé (50) selon la revendication 9, comportant, après la phase (70) de confirmation, une phase (80) d'actualisation de la direction estimée du 10 satellite (20), comportant une pluralité d'étapes (52) de mesure de puissance associées respectivement à différentes directions de pointage autour de la direction estimée obtenue au cours de la phase (70) de confirmation, et une étape (55) d'actualisation de ladite direction estimée en fonction desdites mesures de puissance et d'un modèle prédéterminé 15 du diagramme de rayonnement de l'antenne (30) de mesure. 11 - Procédé (50) selon la revendication 10, dans lequel la phase (80) d'actualisation est répétée au cours du temps, les mesures de puissance effectuées au cours d'une phase (80) d'actualisation étant effectuées pour des directions de pointage autour de la direction estimée obtenue au 20 cours de la phase (80) d'actualisation précédente. 12 - Procédé (50) selon l'une des revendications 10 à 11, dans lequel la bande de mesure considérée au cours d'une étape (52) de mesure de puissance de la phase (70) de confirmation est de largeur différente de celle de la bande de mesure considérée au cours d'une étape (52) de mesure de 25 puissance de la phase (80) d'actualisation. 13 - Procédé (50) selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel, au cours de la phase (60) de recherche, les différentes directions de pointage considérées à l'intérieur du premier cône de balayage sont des directions de pointage prédéfinies réparties suivant une spirale centrée sur la 30 direction théorique dudit satellite, lesdites directions de pointage considérées étant balayées successivement en suivant ladite spirale en partant de ladite direction théorique dudit satellite. 14 - Procédé (50) selon l'une des revendications 9 à 13, dans lequel, au cours 3054670 36 de la phase (70) de confirmation, les différentes directions de pointage considérées à l'intérieur du second cône de balayage sont des directions de pointage prédéfinies réparties suivant une spirale centrée sur la direction de détection dudit satellite, lesdites directions de pointage 5 considérées étant balayées successivement en suivant ladite spirale en partant de ladite direction de détection dudit satellite. 15 - Procédé (50) selon l'une des revendications 9 à 14, dans lequel : - au cours de la phase (60) de recherche, la direction théorique du satellite est actualisée entre deux étapes (52) successives de 10 mesure de puissance, en fonction d'une trajectoire théorique dudit satellite (20), et/ou - au cours de la phase (70) de confirmation, la direction de détection du satellite est actualisée entre deux étapes (52) successives de mesure de puissance, en fonction d'une trajectoire théorique dudit 15 satellite (20). 16 - Procédé (50) selon l'une des revendications 9 à 15, dans lequel le premier cône de balayage et le second cône de balayage sont de largeurs angulaires respectives supérieures à la largeur angulaire d'un lobe principal d'un diagramme de rayonnement de l'antenne (30) de mesure. 20 17 - Produit programme d'ordinateur caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble d'instructions de code de programme qui, lorsqu'elles sont exécutées par un processeur, configurent ledit processeur pour mettre en oeuvre un procédé (50) d'estimation de la direction d'un satellite (20) selon l'une des revendications précédentes. 25 18 - Système (10) d'estimation d'une direction d'un satellite (20) au cours d'une phase de transfert dudit satellite depuis une orbite terrestre, dite « orbite initiale », vers une autre orbite terrestre, dite « orbite de mission », ledit système (10) comportant : - une antenne (30) de mesure d'une puissance de réception d'un 30 signal cible émis par le satellite (20), - des moyens de pointage adaptés à modifier une direction de pointage de ladite antenne de mesure, - un dispositif (40) de traitement adapté à commander lesdits 3054670 37 moyens de pointage et à mesurer une puissance de réception, par l'antenne (30) de mesure, d'un signal cible émis par le satellite (20), ledit dispositif de traitement étant configuré pour estimer la direction dudit satellite (20) en maximisant la mesure de puissance 5 de réception dudit signal cible, caractérisé en ce que, le signal cible comportant une composante sensiblement sinusoïdale, dite « composante mono-fréquence », le dispositif (40) de traitement est configuré pour effectuer une transposition dans le domaine fréquentiel d'un signal numérique, obtenu à partir d'un 10 signal fourni par l'antenne (30) de mesure, de sorte à obtenir un spectre fréquentiel dudit signal numérique sur une bande fréquentielle prédéterminée comportant ladite composante mono-fréquence, dite « bande de mesure », et pour déterminer la mesure de puissance pour la direction de pointage considérée à partir d'une valeur maximale dudit 15 spectre fréquentiel sur ladite bande de mesure considérée. 19 - Système (10) selon la revendication 18, dans lequel le dispositif (40) de traitement est configuré pour faire varier la largeur de la bande de mesure considérée, utilisée pour la mesure de puissance, au cours de l'estimation de la direction du satellite (20). 20 20 - Système (10) selon l'une des revendications 18 à 19, dans lequel la largeur de la bande de mesure considérée pour une mesure de puissance est déterminée en fonction du temps écoulé depuis la mesure de puissance précédente. 21 - Système (10) selon l'une des revendications 18 à 20, dans lequel les 25 moyens de pointage sont des moyens mécaniques motorisés (33, 34) adaptés à modifier l'orientation de l'antenne (30) de mesure. 22 - Système (10) selon l'une des revendications 18 à 21, dans lequel l'antenne (30) de mesure comporte une source (31) et un réflecteur (32). 23 - Système (10) selon l'une des revendications 18 à 21, dans lequel 30 l'antenne (30) de mesure est une antenne réseau constituée d'une pluralité d'antennes élémentaires, et dans lequel les moyens de pointage comportent un réseau de formation de faisceaux.