Brevet FR3089623A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : Procédé et système de mesure de l'attitude d'un appendice relie a une plateforme d'un satellite [0001] L'invention porte sur un procédé de mesure de l'attitude d'un appendice relié à une plateforme d'un satellite ; l'invention se rapporte aussi à un système de mesure de l'attitude d'un appendice relié à une plateforme d'un satellite, et sur un satellite équipé d'un tel système de mesure. L'invention se situe dans le domaine des Systèmes de Contrôle d'Attitude et d'Orbite (SCAO), et s'applique à tout satellite équipé d'un appendice, sur lequel peut se trouver une charge utile, et nécessitant un pointage précis vis-à-vis d'une cible. [0002] Un satellite est habituellement constitué de deux blocs, qui sont la plateforme et la charge utile. La plateforme regroupe l'ensemble des équipements qui assurent les fonctions vitales du satellite, par exemple l'alimentation électrique, le contrôle thermique, l'intelligence de bord ou encore le contrôle d'attitude. La charge utile regroupe l'ensemble des équipements propres à la mission du satellite. Par exemple, pour une mission d'observation, la charge utile peut comprendre une caméra ou un radar Pour une mission de télécommunications, la charge utile peut comprendre un système antennaire, notamment un réflecteur associé à des sources rayonnantes. Pour une mission de réparation ou de prélèvement d'un échantillon, la charge utile peut comprendre un manipulateur (pince, système de forage, système d'échange de carburant, etc...). Outre la plateforme, le satellite peut être équipé d'un appendice, sur lequel peuvent se trouver des équipements de la charge utile, selon la mission du satellite. Un appendice peut également comprendre un élément fonctionnel non lié à la mission du satellite, par exemple une tuyère ou un panneau photovoltaïque. L'appendice est alors relié à la plateforme soit de façon statique, soit de façon dynamique, par exemple par l'intermédiaire d'un bras articulé. [0003] Afin d'assurer correctement sa mission, l'appendice doit pointer le mieux possible en direction de sa cible, et ce malgré les écarts de température importants (environ +/- 180°C) qu' il peut y avoir à une position donnée sur le plan orbital, selon que le soleil soit masqué ou non par la Terre, ou par une autre planète. Ces écarts de température ont un effet direct sur la dilatation des matériaux (effet thermoélastique), ce qui peut perturber l'orientation de l'appendice prévue initialement. Selon la nature de la mission, une mesure directe de la performance de la charge utile embarquée sur l'appendice peut permettre de réajuster l'orientation de l'appendice ; le pointage est alors dit en boucle fermée. Cela peut être le cas par exemple, pour un réflecteur d'antenne, avec lequel une mesure de la puissance RF reçue est réalisée, ou avec un 2 terminal optique, avec lequel une mesure de la puissance laser reçue est réalisée. [0004] Pour certaines missions, notamment les missions de communication monodirec- tionnelle (également appelée voie de télémétrie) en liaison descendante (par exemple pour des transmissions d'images du satellite vers la Terre), la mission n'exige pas de voie de retour entre la Terre et le satellite. Le pointage peut alors être réalisé en appliquant une consigne d'orientation à un appendice, sans mesure directe de son orientation effective. Un tel pointage expose l'appendice à une forte variation d'orientation, qu'il convient de minimiser. Une première solution consiste à calibrer les actionneurs de l'appendice lors de l'assemblage du satellite, en déterminant a priori une fonction de transfert entre la commande des actionneurs et l'effet. Au cours de la mission, la commande appliquée tient compte de la fonction de transfert. Cette solution n'est toutefois pas suffisamment fiable, car elle ne prend pas en considération les variations réelles ducs aux écarts de température. Une deuxième solution consiste à utiliser le système dit ALS (Active Line of Sight, ou Active LOS, ou Ligne de Visée Active en français). Le système ALS consiste à mesurer un flux RF en liaison montante émis par la cible de la charge utile. Cela permet d'introduire un mécanisme de réorientation de l'appendice, en boucle fermée, afin d'éviter ces fortes variations. Ce système coûte actuellement plusieurs millions d'euros, nécessite une infrastructure au sol dédiée, et n'est donc pas systématiquement implanté sur les satellites. [0005] L'invention vise donc à obtenir un système de mesure de l'attitude d'un appendice d'un satellite, ayant un coût fortement réduit par rapport aux solutions existantes. [0006] Un objet de l'invention est donc un procédé de mesure de l'attitude d'un appendice d'un satellite, le satellite comprenant un senseur stellaire de plateforme, monté sur une plateforme du satellite, un système de traitement de données, et un senseur stellaire d'appendice, relié au système de traitement de données, monté sur l'appendice, le procédé de mesure comprenant les étapes suivantes : a) acquisition, par le senseur stellaire de plateforme, d'images de l'environnement extérieur de la plateforme ; b) détermination, par le système de traitement de données, de l'attitude de la plateforme à partir desdites images ; c) acquisition, par le senseur stellaire d'appendice, d'images de l'environnement extérieur de l'appendice ; d) détermination, par le système de traitement de données, de l'attitude de l'appendice, à partir des images de l'environnement extérieur de l'appendice acquises par le senseur stellaire d'appendice, et d'une estimation de l'attitude de l'appendice par rapport à l'attitude de la plateforme. [0007] Avantageusement, l'étape b) de détermination de l'attitude de la plateforme est effectuée en mettant en correspondance les images de l'environnement extérieur la 3 plateforme avec un catalogue d'étoiles embarqué dans le système de traitement de données ; l'étape d) de détermination de l'attitude de l'appendice comprend une extraction d'un sous-catalogue d'étoiles embarqué dans le système dc traitement de données, issu du catalogue d'étoiles embarqué, et une mise en correspondance des images de l'environnement extérieur de l'appendice avec le sous-catalogue d'étoiles e mbarqué. [0008] Avantageusement, le procédé comprend une étape de transmission d'une commande de correction d'attitude de l'appendice à au moins un actionneur reliant la plateforme à l'appendice, la séquence de commande d'attitude étant générée à partir de la détermination de l'attitude de l'appendice obtenue suite à l'étape d), et dc données d'éphéméride du satellite. [0009] Avantageusement, le système de traitement de données comprend un calculateur central, configuré pour déterminer l'attitude de la plateforme et dc l'appendice. [0010] En variante, le système de traitement de données comprend un calculateur local, intégré au senseur stellaire dc plateforme, configuré pour déterminer l'attitude de la plateforme, et pour la transmettre à un calculateur central, le calculateur central étant configuré pour déterminer l'attitude de l'appendice. [0011] Avantageusement, le calculateur central est monté sur la plateforme. [0012] L'invention se rapporte également à un système de mesure de l'attitude d'un appendice d'un satellite, le système de mesure comprenant : - un senseur stellaire de plateforme, monté sur une platefonne du satellite, et configuré pour acquérir des images de l'environnement extérieur de la plateforme, - un système de traitement de données, configuré pour déterminer l'attitude de la plateforme à partir desdites images, le système comprenant en outre un senseur stellaire d'appendice, relié au système de traitement de données, monté sur l'appendice, et configuré pour acquérir des images de l'environnement extérieur de l'appendice, le système de traitement de données étant configuré pour déterminer l'attitude de l'appendice à partir des images de l'environnement extérieur de l'appendice acquises par le senseur stellaire d'appendice, et d'une estimation de l'attitude de l'appendice par rapport à l'attitude de la plateforme. [0013] Avantageusement, le système de traitement de données est configuré pour : - déterminer l'attitude de la plateforme en mettant en correspondance les images de l'environnement extérieur la plateforme avec un catalogue d'étoiles embarqué dans le calculateur central, et - déterminer l'attitude de l'appendice en extrayant un sous-catalogue d'étoiles embarqué dans le système de traitement de données issu du catalogue d'étoiles embarqué, et en mettant en correspondance les images de l'environnement extérieur de l'appendice avec le sous-catalogue d'étoiles embarqué. [0014] Avantageusement, le senseur stellaire d'appendice comprend unc pluralité de têtes optiques montées sur un banc optique, le banc optique étant configuré pour stabiliser les têtes optiques sur l'appendice. [0015] Avantageusement, le système de traitement de données est configuré pour transmettre une commande de correction d'attitude de l'appendice à au moins un actionneur reliant la plateforme à l'appendice, la commande de correction d'attitude étant générée à partir de l'attitude de l'appendice et de données d'éphéméride du satellite. [0016] Avantageusement, l'appendice emporte une charge utile sélectionnée parmi un ré- flecteur d'antenne, un manipulateur de bras de robot, et un appareil d'observation de type radar/caméra. [0017] Avantageusement, le système de traitement de données comprenant un calculateur central, configuré pour déterminer l'attitude de la plateforme et de l'appendice. [0018] En variante, le système de traitement de données comprend un calculateur local, intégré au senseur stellaire de plateforme, configuré pour déterminer l'attitude de la plateforme, et pour la transmettre à un calculateur central, le calculateur central étant configuré pour déterminer l'attitude de l'appendice. [0019] Avantageusement, le calculateur central est monté sur la plateforme. [0020] L'invention se rapporte également à un satellite équipé du système précité. [0021] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : [0022] [fig.l] la figure 1, un schéma illustrant un satellite comprenant un système de mesure selon l'invention ; [0023] [fig.2] la figure 2, un schéma illustrant le repère de la plateforme, et le repère de l'appendice ; [0024] [fig.3] la figure 3, un schéma illustrant les différentes étapes du procédé selon l'invention ; [0025] [fig.4] la figure 4, un premier mode de réalisation illustrant les interactions entre le calculateur central du satellite et les différents senseurs du système de mesure selon l'invention ; [0026] [fig.5] la figure 5, un second mode de réalisation illustrant les interactions entre le calculateur central du satellite et les différents senseurs du système de mesure selon l'invention ; [0027] La figure 1 illustre un satellite comprenant un système de mesure selon l'invention. Le satellite comprend une plateforme PF. Dans la présente demande, on appelle plateforme la structure accueillant les principaux blocs fonctionnels du satellite (contrôle de vol, propulsion, contrôle thermique, gestion de l'énergie), La plateforme PF peut également accueillir la partie de la charge utile qui ne se situe pas sur l'appendice AP. L'appendice AP peut contenir tout ou partie de la charge utile, voire des éléments qui ne font pas partie de la charge utile, comme par exemple des panneaux solaires, ou des tuyères. Sur la figure 1, la charge utile de l'appendice est une pince de robot manipulateur. Selon la mission, d'autres charges utiles peuvent être envisagées, comme par exemple un réflecteur d'antenne, ou encore un appareil d'observation de type radar/caméra. [0028] L'appendice AP est relié à la plateforme par un bras articulé BA. Le bras articulé BA permet notamment de maintenir l'appendice AP à une attitude souhaitée et à une position souhaitée. Sur la figure 1, le bras articulé BA est en position déployée, ce qui correspond à une position en mission. Lors du lancement du satellite, le bras articulé peut être rabattu contre la plateforme, afin de pouvoir être intégré dans la coiffe d'un lanceur. [0029] Le satellite comprend un dispositif de détermination de l'attitude de la plateforme PF, monté sur la plateforme PF. L'attitude de la plateforme correspond à son orientation par rapport à un trièdre de référence. Le dispositif de détermination de l'attitude de la plateforme est un senseur stellaire (également appelé viseur d'étoile) de plateforme SP. Les senseurs stellaires sont particulièrement précis en résolution (précision de l'ordre de la seconde d'arc), par rapport aux autres dispositifs de détermination d'attitude que peuvent être les viseurs solaires, les viseurs de Terre ou encore les magnétomètres. [0030] La détermination de l'attitude de la plateforme PF est réalisée en deux étapes. [0031] Selon une première étape (étape d'acquisition initiale), le senseur stellaire de plateforme SP effectue une acquisition initiale d'au moins une image d'un champ d'étoiles situées dans le champ de vision du senseur stellaire de plateforme SP. L'acquisition d'images est réalisée par l'intermédiaire d'au moins une tête optique, composée par exemple d'un capteur CCD. Pour chaque image acquise, les étoiles les plus brillantes sont détectées, et identifiées à l'aide d'un catalogue d'étoiles. Le catalogue est une base de données comprenant les éphémérides des étoiles, dans différents domaines de luminance. Chaque étoile est enregistrée dans le catalogue par la distance angulaire avec la première étoile la plus proche, la distance angulaire avec la deuxième étoile la plus proche, et l'angle sphérique entre la première étoile la plus proche et la deuxième étoile la plus proche. L'identification dans le catalogue d'étoiles peut être mise en oeuvre dans un calculateur central CC du satellite (également appelé ordinateur de bord), relié au senseur stellaire de plateforme SP. Le calculateur central CC peut être embarqué sur la plateforme PF, ou, en alternative, être embarqué dans une station au sol. Une opération de comparaison de la position des étoiles situées dans le champ de vision avec des positions connues enregistrées dans un catalogue permet ensuite de déterminer un quaternion d'attitude. Le quaternion d'attitude représente un 6 vecteur à quatre composantes, qui décrit totalement l'attitude de la plateforme PF. [0032] Selon une deuxième étape (étape de suivi), le senseur stellaire de plateforme SP acquiert des images successives, et le calculateur central CC compare des images acquises successivement par le senseur stellaire de plateforme SP. Pour chaque nouvelle image acquise, il détermine l'écart de la nouvelle image par rapport à l'image acquise précédemment. Pour cette deuxième étape, le calculateur central CC utilise les étoiles identifiées dans le catalogue lors de la première étape. [0033] TI est à noter qu'afin de déterminer le quaternion d'attitude complet avec les trois axes de rotation dans l'espace de manière optimale, il est parfois nécessaire de combiner les informations issues de deux têtes optiques. Toutefois, dans la pratique, trois têtes optiques sont employées, pour compenser un éventuel éblouissement par un astre très lumineux tel que le soleil. Pour combiner les informations issues de différentes têtes optiques, le positionnement relatif des têtes optiques doit rester constant, malgré les variations de température. Les têtes optiques sont ainsi montées sur un banc optique, lui-même monté sur la plateforme PF. [0034] L'appendice est avantageusement équipé d'un senseur stellaire d'appendice SA, afin de déterminer l'attitude de l'appendice AP. Le senseur stellaire d'appendice SA est positionné sur l'appendice AP. Il est également relié à l'ordinateur de bord du satellite. Le senseur stellaire d'appendice SA comprend deux, voire trois, têtes optiques TO, afin d'acquérir les images des constellations d'étoiles situées dans l'environnement extérieur du senseur stellaire d'appendice SA. Un banc optique BO permet de stabiliser les têtes optiques TO du senseur stellaire d'appendice SA. [0035] Afin de déterminer l'attitude de l'appendice AP, l'étape d'acquisition initiale est remplacée par une étape d'estimation a priori de l'attitude de l'appendice AP, par rapport à l'attitude de la plateforme PF. La figure 2 illustre l'orientation du repère de la plateforme PF (0s, Xs, Ys, Zs), qui représente l'attitude de la plateforme PF, et l'orientation du repère de l'appendice AP (0,, XA, YA, ZA), qui représente l'attitude de l'appendice AP. Le repère de la plateforme PF désigne plus communément le repère satellite (ou repère orbital local). La plateforme PF et l'appendice AP sont mécaniquement liés, et la commande de positionnement de l'appendice AP vis-à-vis de la plateforme PF est connue du calculateur central CC. Une estimation grossière de l'attitude de l'appendice AP (et de la position de l'appendice dans le repère de la plateforme) est donc connue. L'utilisation du senseur stellaire d'appendice SA permet d'affiner la mesure de l'attitude de l'appendice AP. Ainsi, le calculateur central CC détermine un sous-catalogue, en limitant l'espace de recherche dans le catalogue d'étoiles en fonction de l'estimation grossière de l'attitude de l'appendice AP. L'identification des étoiles les plus brillantes dans les images acquises par les têtes optiques TO du senseur stellaire d'appendice SA est donc mise en oeuvre dans le sous- 7 catalogue. L'étape de suivi est exécutée à l'aide du sous-catalogue ainsi déterminé. [0036] Ainsi, en limitant le domaine de recherche des constellations pour la détermination de l'attitude de l'appendice, un gain en temps de calcul est obtenu. [0037] La figure 3 illustre les différentes étapes du procédé selon l'invention : Etape a) : acquisition, par le senseur stellaire de plateforme SP, des images de l'environnement extérieur de la plateforme PF ; Etape b) : détermination, par le calculateur central CC, de l'attitude de la plateforme PF à partir des images de l'environnement extérieur de la plateforme PF, acquises par le senseur stellaire de plateforme SP. Avantageusement, le calculateur central CC met en correspondance des images de l'environnement extérieur de plateforme PF avec un catalogue d'étoiles embarqué ; Etape c) : acquisition, par le senseur stellaire d'appendice SA, des images de l'environnement extérieur de l'appendice AP ; Etape d) : détermination, par le calculateur central CC, de l'attitude de l'appendice AP, à partir des images de l'environnement extérieur de l'appendice AP acquises par le senseur stellaire d'appendice SA, et d'une estimation de l'attitude de l'appendice AP par rapport à l'attitude de la plateforme PF. Pour cela, le calculateur central CC extrait un sous-catalogue d'étoiles embarqué issu du catalogue d'étoiles embarqué, et met en correspondance des images de l'environnement extérieur de l'appendice AP avec le sous-catalogue d'étoiles embarqué. [0038] Le procédé selon l'invention peut également comprendre une étape de commande de correction d'attitude de l'appendice AP, afin de la réorienter, selon le besoin de la mission. Afin de réorienter correctement l'appendice, la position de l'appendice vis-à-vis de la cible doit être connue. Pour une mission de télécommunication vers la Terre, la cible peut par exemple être un point du globe, ou une zone du globe. La position orbitale du satellite SAT est déterminée à partir des éphémérides du satellite. Les éphémérides du satellite peuvent être transférées en cours de mission depuis une station au sol, ou être chargées dans le calculateur central. Un écart de pointage de la plateforme PF vis-à-vis de la cible peut ainsi être corrigé à partir de la position orbitale du satellite SAT, de la position de l'appendice dans le repère orbital local, et de l'attitude de l'appendice AP. [0039] La figure 4 illustre schématiquement l'architecture du satellite, et en particulier, le lien entre les senseurs stellaires (SA, SP) et le calculateur central CC, dans le cas où il est embarqué dans la platefonne PF. Le calculateur central CC effectue les opérations utiles au bon fonctionnement du satellite, à l'aide d'un module logiciel SW-CC dédié à la gestion du calculateur central CC. Les différentes opérations du senseur stellaire de plateforme SP sont pilotées par un module logiciel SW-SP dédié à la gestion du senseur stellaire de plateforme. De la même manière, les différentes opérations du 8 senseur stellaire d'appendice AP sont pilotées par un module logiciel SW-AP dédié à la gestion du senseur stellaire d'appendice. Chacun des modules logiciels SW-SP et SW-AP peut être physiquement intégré à son senseur stellaire correspondant, et être relié au module logiciel SW-CC dédié à la gestion du calculateur central CC. [0040] Le senseur stellaire de plateforme SP, le senseur stellaire d'appendice SA et le mécanisme MA de correction de l'attitude de l'appendice (un bras articulé BA par exemple) sont connectés au calculateur central CC par l'intermédiaire d'un bus 1/0. Une électronique d'alimentation et de refroidissement du senseur stellaire d'appendice SA peut également être ajoutée. [0041] Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le calculateur central CC intègre physiquement le module logiciel SW-SP dédié à la gestion du senseur stellaire de plateforme, ainsi que le module logiciel SW-SA dédié à la gestion du senseur stellaire d'appendice. Le calculateur central CC intègre ainsi, dans une partition dédiée, unc tâche principale de gestion du senseur stellaire de plateforme SP. La tâche principale est ségréguée, pour attribuer des créneaux de temps dédiés au calcul du quaternion d'attitude de l'appendice AP. Selon ce mode de réalisation, le senseur stellaire de plateforme SP et le senseur stellaire d'appendice AP peuvent être mis sur le marché avec uniquement les têtes optiques et le banc optique, sans avoir à mettre sur le marché un processeur dédié. [0042] La présente invention a été décrite selon un mode de réalisation où l'attitude de la plateforme PF est déterminée par le calculateur central CC. L'invention pourrait également, en variante, être mise en oeuvre en faisant intervenir un calculateur local CL (sous forme de processeur dédié au calcul d'attitude), intégré au senseur stellaire de plateforme SP. Cette variante est illustrée par la figure 5. Le calculateur local CL transmet les informations d'attitude de la plateforme PF vers calculateur central CC, qui peut ensuite déterminer l'attitude de l'appendice AP à partir des images de l'environnement extérieur de l'appendice AP acquises par le senseur stellaire d'appendice SA, et de l'estimation de l'attitude de l'appendice AP par rapport à l'attitude de la plateforme PF. L'intégration d'un calculateur local CL dans le senseur stellaire de plateforme permet avantageusement de mettre sur le marché un senseur stellaire de plateforme comprenant à la fois le bloc optique du senseur stellaire, et le module logiciel de gestion du senseur stellaire. [0043] Selon les deux modes de réalisation, l'attitude de la plateforme est déterminée par un système de traitement de données. Selon un mode de réalisation (détermination de l'attitude de la plateforme par le calculateur central), le système de traitement de données comprend le calculateur central CC ; en variante (détermination de l'attitude de la plateforme par le calculateur local CL, puis transmission au calculateur central CC), le système de traitement de données comprend le calculateur central CC et le cal- 9 culatcur local CL. [0044] Le calculateur local CL et/ou le calculateur central CC comportent notamment au moins un processeur et au moins une mémoire électronique dans laquelle est mémorisée un produit programme d'ordinateur, sous la forme d'un ensemble d'instructions de code de programme à exécuter pour mettre en oeuvre différentes étapes du procédé selon l'invention. Alternativement ou en complément, le calculateur local CL et/ou le calculateur central CC comportent un ou des circuits logiques programmables (FPGA, PLD, etc.), et/ou un ou des circuits intégrés spécialisés (ASIC), et/ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc., adaptés à mettre en oeuvre tout ou partie desdites étapes du procédé selon l'invention. [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]