Brevet FR3068954A1 — publié le 20190118

SATELLITE DE NAVIGATION, A SAVOIR POUR ORBITE TERRESTRE MOYENNE L'invention concerne un satellite de navigation qui est de préférence prévu pour une Medium Earth Orbit (MEO). Les liaisons optiques entre des satellites de navigation permettent une synchronisation très précise d'horloges (ce qu'on appelle Composite Clock), une mesure de distance précise et le transport de données importantes sans assistance externe. Pour que cela soit possible, les satellites de navigation doivent être équipés d'équipements d'émission et de réception optiques. L'attitude d'un satellite de navigation dans la Medium Earth Orbit constitue un défi particulier. L'attitude est déterminée par le fait que l'antenne de navigation doit en permanence être pointée vers le centre de la Terre (Nadir-Pointing) et que les générateurs solaires doivent toujours être orientés vers le soleil. La première exigence détermine l'attitude jusqu'à une rotation autour de l'axe du nadir, c'est-à-dire la liaison entre les centres de gravité de la Terre et le satellite. Deux autres axes sont nécessaires pour l'orientation des générateurs solaires. L'un est l'axe du nadir, l'autre est l'axe sur lequel les générateurs sont montés et autour duquel les générateurs peuvent tourner. Dans la mesure où le satellite présente un côté devant être gardé froid et un côté devant être gardé chaud, il est en outre tourné respectivement de 180° autour de l'axe du nadir à proximité du point le plus proche du soleil et du point le plus éloigné du soleil. La première rotation est appelée « noon-turn » et la seconde « mid-night turn ». 2 L'état de la technique se compose de systèmes d'émission et de réception optiques plus ou moins orientables, par ex. TESAT LCT (voir par ex. BENZI, E. [et al.]: Optical Inter-Satellite Communication: the Alphasat and Sentinel- 5 lA in-orbit experience. In: Proc. SpaceOps 2016 Conference, 16.-20.05.2016, Daejeon, Korea, (AlAA 20162389). AlAA [online], D01: 10.2514/6.2016-2389 [consulté le 14.06.2018]. Ceux-ci sont en premier lieu complexes à réaliser et impliquent une géométrie variable entre les 10 systèmes optiques et le centre de phase de l'antenne de bande L par exemple. L'antenne de navigation des satellites de navigation actuels est reliée de façon fixe à la structure du satellite, c'est-à-dire au logement (appelé également bus du satellite) de telle sorte qu'une 15 rotation du satellite autour de l'axe vertical signifie également une rotation de l'antenne de navigation et de sa caractéristique de rayonnement. US-A-2017/0005719 décrit une constellation composée d'une multiplicité de satellites pour la communication les uns 20 avec les autres ainsi qu'avec des stations au sol. US-A-2004/0179847 concerne un satellite avec une optique à miroir destinée à la communication avec d'autres satellites. 25 L'invention a pour objectif de créer un satellite de navigation qui, malgré les deux rotations de respectivement 180° nécessaires pendant une révolution autour de la Terre, permet de maintenir une liaison de communication optique avec des satellites voisins sur la même orbite. 3 Pour atteindre cet objectif, l'invention propose un satellite de navigation pour en particulier une Medium Earth Orbit (MEO), qui est muni - d'un logement (c'est-à-dire une structure du satellite 5 ou respectivement un bus du satellite), - d'une antenne de navigation raccordée au logement en vue du rayonnement de signaux de navigation dans une direction préférentielle, - d'un dispositif de communication optique destiné à la 10 signalisation unidirectionnelle ou bidirectionnelle avec au moins un autre satellite, qui précède dans la direction de déplacement, en direction d'un premier axe de communication et/ou avec au moins un autre satellite, qui suit dans la direction de déplacement, 15 en direction d'un deuxième axe de communication, et - d'un élément de retenue qui est disposé en rotation sur le logement autour d'un axe de rotation, le dispositif de communication optique étant disposé sur l'élément de retenue. 20 La caractéristique principale du satellite de navigation selon l'invention est un élément de retenue ou respectivement support pour un dispositif de communication optique, le support ou respectivement élément de retenue étant disposé sur/dans le logement en 25 rotation autour d'un axe. « Logement du satellite » désigne la structure du satellite (sans charge utile appelée également payload). On la désigne également en tant que bus du satellite. La payload serait donc l'élément de retenue 30 avec le dispositif de communication optique et l'antenne de navigation. Le dispositif de communication optique 4 comprend généralement deux unités de communication optiques qui définissent respectivement un axe de communication optique, l'axe de communication de la première unité de communication optique étant dirigé par 5 exemple vers un satellite qui précède dans la direction de déplacement du satellite de navigation concerné tandis que l'axe de communication optique de la deuxième unité de communication optique vise un satellite qui suit. Il est ainsi possible d'établir en permanence des 10 liaisons optiques avec des satellites voisins sur la même orbite (orbit) et de les maintenir en permanence. Dans une forme d'exécution appropriée de l'invention, il est possible de prévoir que l'antenne de navigation serve d'élément de retenue pour le dispositif de communication 15 optique ou soit disposé sur l'élément de retenue et puisse tourner en conséquence. Grâce à l'utilisation simultanée de l'élément de retenue pour le dispositif de communication optique en tant qu'antenne de navigation, aucun élément de support supplémentaire pour le 20 dispositif de communication optique n'est nécessaire dans la structure du satellite. L'antenne de navigation déjà présente est au contraire utilisée en tant que support ou respectivement élément de retenue pour le dispositif de communication optique et donc pour les unités de 25 communication optiques. La première et la deuxième unité de communication optique devraient avantageusement être pivotantes et dans cette mesure être mobiles sur l'élément de retenue ou respectivement sur l'antenne de navigation afin que le 30 système de navigation concerné puisse entrer en 5 communication avec le satellite voisin sur la même orbite et maintenir cette liaison de communication. Dans une autre forme d'exécution appropriée de l'invention, il est possible de prévoir que l'antenne de 5 navigation présente un côté rayonnement de signaux de navigation et un côté arrière, éloigné de celui-ci, qui est tourné vers le logement, et que le dispositif de communication optique soit disposé sur le côté arrière de l'antenne de navigation. Grâce à la disposition du 10 dispositif de communication optique et de ses unités sur le côté arrière de l'antenne de navigation, le côté rayonnement de celle-ci peut être configuré et utilisé comme cela est connu antérieurement. Comme cela a déjà été évoqué plus haut, des liaisons de 15 communication optiques entre satellites de navigation sont avantageuses. Pour le transfert temporel ainsi que l'ajustement temporel (mot-clé Composite Clock) et/ou pour la mesure de distance et/ou pour la communication, le dispositif de communication optique d'un satellite de 20 navigation peut envoyer des signaux à au moins un des satellites précédents et/ou à au moins un des satellites suivants et/ou recevoir des signaux correspondants. Selon un autre aspect de l'invention, qui peut être réalisé indépendamment de ce qui a été dit précédemment 25 et sans la mise en oeuvre des caractéristiques selon l'invention décrites précédemment, le dispositif de communication optique présente une troisième unité de communication optique destinée à la signalisation unidirectionnelle ou bidirectionnelle avec un satellite 30 disposé sur une orbite plus basse, en particulier sur une Low Earth Orbit (LEO). Grâce à cette mesure, il est 6 possible, malgré les deux rotations de respectivement 180 degrés nécessaires par révolution, d'établir et de maintenir en permanence une liaison optique du satellite de navigation sur une première orbite avec un satellite 5 sur une deuxième orbite située plus bas. Le satellite de navigation selon l'invention est prévu de façon appropriée pour une Medium Earth Orbit (MEO) tandis que le satellite évoluant plus bas, et pour lequel il ne s'agit pas obligatoirement également d'un satellite de 10 navigation, se trouve par exemple sur une Low Earth Orbit (LEO). Il est avantageux que l'autre unité de communication optique soit également disposée sur l'élément de retenue rotatif. 15 L'autre (troisième) unité de communication optique se trouve également avantageusement sur le côté arrière de l'antenne de navigation rotative tourné vers le logement du satellite, c'est-à-dire de la structure du satellite, dans la mesure où celle-ci sert d'élément de retenue pour 20 le dispositif de communication optique. Ainsi, l'axe optique défini par la troisième unité de communication optique traverse l'antenne de navigation. Dans cette mesure, il est approprié que la troisième unité de communication optique soit disposée de façon pivotante 25 sur ou respectivement dans l'antenne de navigation, ce qui peut par exemple être réalisé par un joint à rotule dans lequel l'émetteur et/ou le récepteur de la troisième unité de communication optique est disposé. Il est ainsi possible d'orienter en conséquence l'axe de communication 30 optique de la troisième unité de communication optique afin de pouvoir communiquer avec un satellite évoluant plus bas. 7 Il est en outre avantageux que l'autre dispositif de communication optique soit disposé au-dessus de l'élément de retenue et que son axe de communication optique soit dirigé à travers une ouverture dans l'antenne de 5 navigation (et cela en particulier dans le centre de phase de l'antenne de navigation). L'axe de rotation de l'antenne de navigation est avantageusement réalisé en tant qu'axe creux. Cet axe creux peut alors par exemple permettre aussi bien le passage des signaux de navigation 10 à partir du satellite vers l'antenne de navigation que l'intégration de la troisième unité de communication optique pour la communication optique entre par exemple le satellite de navigation ME0 et un satellite LEO. Il est possible de rendre compte des deux variantes 15 principales selon l'invention également par les groupes de caractéristiques mentionnés ci-dessous, des caractéristiques individuelles de chaque groupe de caractéristiques pouvant être combinées avec des caractéristiques individuelles d'un autre groupe de 20 caractéristiques : 1 Satellite de navigation, en particulier pour une Medium Earth Orbit (MEO), avec - un logement, - une antenne de navigation disposée dans et/ou sur 25 le logement avec un axe de rayonnement destiné au rayonnement de signaux de navigation dans une direction de rayonnement, - un dispositif de communication optique pour la communication unidirectionnelle ou bidirectionnelle 30 avec au moins un autre satellite qui précède dans la direction de déplacement et/ou avec au moins un 8 autre satellite qui suit dans la direction de déplacement, et - un élément de retenue qui est disposé sur le logement en rotation autour d'un axe de rotation 5 placé dans la direction de rayonnement, - le dispositif de communication optique étant disposé sur l'élément de retenue. 2. Satellite de navigation selon le chiffre 1, l'antenne de navigation étant configurée en tant qu'élément de 10 retenue en forme de plaque pour le dispositif de communication optique. 3. Satellite de navigation selon le chiffre 2, l'antenne de navigation présentant un côté rayonnement de signaux de navigation et un côté arrière, éloigné de 15 celui-ci, qui est tourné vers le logement, et le dispositif de communication optique étant disposé sur le côté arrière de l'antenne de navigation. 4. Satellite de navigation selon l'un des chiffres 1 à 3, le dispositif de communication optique présentant 20 une première et une deuxième unité de communication optique qui définissent respectivement un axe de communication optique qui est orienté essentiellement à angle droit par rapport à l'axe de rotation. 5. Satellite de navigation selon le chiffre 4, les deux 25 unités de communication optiques étant, par rapport à l'axe de rotation de l'antenne de navigation ou respectivement de l'élément de retenue, disposées essentiellement de façon diamétralement opposée. 6. Satellite de navigation selon l'un des chiffres 1 à 30 5, le dispositif de communication optique présentant 9 une troisième unité de communication optique destinée à la communication unidirectionnelle ou bidirectionnelle avec un satellite disposé sur une orbite plus basse, en particulier sur une Low Earth 5 Orbit (LEO). 7. Satellite de navigation selon le chiffre 6, la troisième unité de communication optique définissant un axe de communication optique placé dans la direction de rayonnement de l'antenne de navigation. 10 8. Satellite de navigation selon le chiffre 7, l'axe de communication optique de la troisième unité de communication optique s'étendant à travers une ouverture dans l'antenne de navigation ou respectivement l'élément de retenue. 15 9. Satellite de navigation selon le chiffre 7 ou 8, la troisième unité de communication optique étant supportée sur et/ou dans le logement ou sur et/ou dans l'antenne de navigation en pivotement autour de l'axe de rayonnement de façon unidimensionnelle ou 20 bidimensionnelle. 10. Satellite de navigation selon le chiffre 8 ou 9, l'ouverture étant disposée dans le centre de phase de l'antenne de navigation. 11. Satellite de navigation selon l'un des chiffres 1 à 25 10, l'axe de rotation de l'antenne de navigation étant configuré en tant qu'arbre creux. 12. Satellite de navigation, en particulier pour une Medium Earth Orbit (MEO), avec - un logement, 10 - une antenne de navigation disposée dans et/ou sur le logement avec un axe de rayonnement destinée au rayonnement de signaux de navigation dans une direction de rayonnement préférentielle, 5 - un dispositif de communication optique destiné à la communication unidirectionnelle ou bidirectionnelle avec au moins un autre satellite qui précède dans la direction de déplacement et/ou avec au moins un autre satellite qui suit dans la direction de 10 déplacement, - l'antenne de navigation étant disposée sur le logement en rotation autour d'un axe de rotation placé dans le prolongement de l'axe de rayonnement, et 15 - le dispositif de communication optique étant mis en place sur l'antenne de navigation rotative. L'invention va être expliquée ci-dessous de façon plus détaillée à l'aide de deux exemples de réalisation ainsi 20 qu'en référence au dessin. Dans le détail, la fig. 1 montre une constellation partielle de satellites composée de plusieurs satellites de navigation ME0 et de plusieurs satellites LEO évoluant plus 25 bas ; la fig. 2 montre une représentation schématique d'un satellite de navigation selon un exemple de réalisation de l'invention, une partie du satellite de navigation étant 30 représentée de façon agrandie, et 11 la fig. 3 montre un deuxième exemple de réalisation d'un satellite de navigation selon l'invention, une partie du satellite étant également représentée de façon 5 agrandie. Dans le premier exemple de réalisation de l'invention, les systèmes d'émission et de réception optiques sont disposés sur un support rotatif au-dessus de l'antenne de navigation. Le support rotatif crée un axe supplémentaire 10 qui permet de maintenir les deux systèmes optiques orientés vers le satellite qui précède ou respectivement qui suit ; ils « passent » devant l'antenne de navigation, les deux rayons optiques et la direction du nadir sont situés dans un même plan. Cela ne nécessite 15 que de faibles corrections qui peuvent être effectuées avec un miroir mobile. De plus, l'angle dans l'orbite peut être amené dans une autre position afin d'éclairer le satellite situé après le suivant au cas où le satellite le plus proche viendrait à tomber en panne. 20 L'antenne de navigation peut être montée sur le support. De ce fait l'angle azimutal qui est mesuré autour de l'axe du nadir demeure fixe. En particulier, le noon-turn et le mid-night-turn n'agissent pas sur l'antenne de navigation en ce qui concerne le rayonnement des signaux. 25 Ce qui importe particulièrement, c'est la relation fixe entre l'orientation optique et l'orientation de l'antenne qui résulte de cette disposition. Un autre élément de retenue de l'invention concerne un système d'émission et de réception optique au-dessus de 30 l'antenne de navigation qui est disposé de telle sorte que le rayon « regarde » à travers un trou au centre de l'antenne. Il peut en particulier être orienté vers 12 respectivement l'une de plusieurs positions de satellite LEO possibles (env. +/- 18 degrés). L'axe optique coupe l'axe du nadir. Idéalement, cela se fait dans le centre de phase de l'antenne de navigation. 5 La fig. 1 montre une constellation partielle de satellites composée de plusieurs satellites de navigation ME0 10, 10', 10" et de plusieurs satellites LEO 11. Chaque satellite de navigation 10, 10', 10" comprend une structure du satellite avec entre autres un logement 12 10 et des générateurs solaires 14, et est muni d'une antenne de navigation 16 rotative qui maintient son orientation vers la Terre. L'antenne de navigation 16 présente un côté rayonnement avant 16' et un côté arrière 16" postérieur. Sur le côté arrière 16" de l'antenne de 15 navigation 16 rotative (voir l'axe de rotation indiqué par 17) sont montées des unités de communication optiques 18, 20 (avec des axes de communication optiques 19 ou respectivement 21) d'un dispositif de communication optique 22 qui garantissent une liaison intersatellite 20 optique avec le satellite qui précède et avec le satellite qui suit 10', 10". La fig. 2 montre une représentation détaillée de la constitution de l'antenne de navigation 16 rotative conjointement avec les unités de communication optiques 25 18, 20. En l'occurrence, l'antenne de navigation 16 est tournée dans son centre de phase 24 autour d'un axe creux 26 qui permet aussi bien un passage des signaux à partir du satellite vers l'antenne de navigation 16 que l'intégration d'une autre unité de communication optique 30 pour la communication entre un satellite ME0 10, 10', 10" et des satellites LEO 11. 13 La troisième unité de communication optique supplémentaire décrite plus haut est montrée dans l'exemple de réalisation du système de navigation ME0 montré sur la figure 3. Dans la mesure où les éléments du 5 satellite selon la fig. 3 correspondent à ceux du satellite selon la figure 2, ils sont munis des mêmes repères. La troisième unité de communication optique 28 supplémentaire est par exemple mise en place au-dessus de l'antenne de navigation 16, c'est-à-dire sur son côté 10 arrière 16". Son axe de communication optique 30 traverse le centre de phase 24 de l'antenne de navigation 16. Grâce à l'utilisation d'une construction compacte, il est possible d'assurer que l'ouverture 32 nécessaire à cet effet dans l'antenne de navigation 16 n'exerce pas 15 d'influence sur sa caractéristique de rayonnement et qu'en même temps une liaison de communication optique avec un satellite LEO 11 évoluant plus bas peut être établie. En fonction de la géométrie de trajectoire, la troisième unité de communication optique ne doit couvrir 20 qu'une plage angulaire restreinte et peut ainsi être intégrée à l'intérieur de l'antenne de navigation 16 comme le montre la fig. 3. 14 LISTE DES REFERENCES 10 Satellites de navigation 10' Satellites de navigation 10" Satellites de navigation 5 11 Satellite LEO 12 Logement 14 Générateurs solaires 16 Antenne de navigation 16' Côté rayonnement de l'antenne de navigation 10 16" Côté arrière de l'antenne REVENDICATIONS1. Satellite de navigation, en particulier pour une Medium Earth Orbit (MEO), avec - un logement (12), - une antenne de navigation (16) raccordée au logement (12) en vue du rayonnement de signaux de navigation dans une direction préférentielle, - un dispositif de communication optique (22) destiné à la signalisation unidirectionnelle ou bidirectionnelle avec au moins un autre satellite, qui précède dans la direction de déplacement, en direction d'un premier axe de communication (19) et/ou avec au moins un autre satellite, qui suit dans la direction de déplacement, en direction d'un deuxième axe de communication (20), et - un élément de retenue qui est disposé en rotation sur le logement autour d'un axe de rotation (17), - le dispositif de communication optique (22) étant disposé sur l'élément de retenue. 2. Satellite de navigation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne de navigation (16) sert d'élément de retenue pour le dispositif de communication optique (22) ou est disposé sur l'élément de retenue. 3. Satellite de navigation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'antenne de navigation (16) présente un côté rayonnement de signaux de navigation (16') et un côté arrière (16"), éloigné de celui-ci, qui est tourné vers le logement (12), et en ce que le dispositif de communication optique 16 (22) est disposé sur le côté arrière (16") de l'antenne de navigation (16). 4. Satellite de navigation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour le 5 transfert temporel ainsi que l'ajustement temporel et/ou pour la mesure de distance et/ou pour la communication, le dispositif de communication optique (22) envoie des signaux à au moins un des satellites qui précèdent et/ou à au moins un des 10 satellites qui suivent et/ou reçoit de tels signaux en provenance d'au moins un des satellites qui précèdent et/ou en provenance d'au moins un des satellites qui suivent. 5. Satellite de navigation selon l'une des 15 revendications 1 à 4, caractérisé par un autre dispositif de communication optique (22) destiné à la signalisation unidirectionnelle ou bidirectionnelle avec un satellite disposé sur une orbite plus basse, en particulier sur une Low Earth 20 Orbit (LEO), en direction d'un troisième axe de communication (28). 6. Satellite de navigation selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'autre dispositif de communication optique (28) est également disposé sur 25 l'élément de retenue rotatif. 7. Satellite de navigation selon la revendication 5 ou 6 et soit la revendication 3, soit l'une des revendications précédentes, dans la mesure où elle dépend de la revendication 3, caractérisé en ce que 30 l'autre dispositif de communication optique (28) est disposé au-dessus de l'élément de retenue et est 17 dirigé à travers une ouverture dans l'antenne de navigation (16) pour la signalisation unidirectionnelle ou bidirectionnelle avec son axe de communication (28). 5 8. Satellite de navigation selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ouverture est disposée dans le centre de phase de l'antenne de navigation (16).