Brevet FR3094799A1 — publié le 20201009

Description Titre de l'invention : Système et procédé de détection d'au moins un objet spatial dans l'environnement d'un satellite [0001] La présente invention porte sur un système et un procédé de détection d'au moins un objet spatial dans l'environnement d'un satellite. [0002] L'invention concerne le domaine de la surveillance de l'espace, à des fins de prévention des risques (le collision, ou plus largement, le domaine (le la détection d'objets s'approchant de satellites en orbite terrestre. [0003] La mise en service de constellations de centaines ou milliers de satellites pose le problème de la multiplication des objets orbitaux et débris associés, appelé aussi syndrome de Kessler. H est prévu de lancer environ 7000 satellites dans la décennie à venir, dont 3000 de plus de 50kg, cc qui représente de 500 000 à 750 000 débris de plus de 5cm en orbite. [0004] Il est donc nécessaire de pouvoir détecter et déterminer les trajectoires des objets spatiaux se rapprochant ou évoluant à proximité de satellites quels qu'ils soient, comme des débris de satellites, des satellites artificiels, ou des corps célestes naturels. [0005] Des techniques distantes et non permanentes existent, comme le suivi depuis le sol des objets et débris spatiaux, avec diffusion d'alertes collision avec un préavis de quelques jours, sans connaissance de l'ensemble de la situation (US SpaccTrack et bulletins JSpOC), ou le système français GRAVES de détection de satellites évoluant en orbite terrestre basse (LEO pour acronyme de "Low Earth Orbit" en langue anglaise) pour acronyme de Grand Réseau Adapté à la VEille Spatiale permettant de faire des observations intermittentes, lorsque les objets menaçants passent en visibilité du radar localisé en France métropolitaine. Pour les orbites géostationnaires GEO, il est également connu d'utiliser des télescopes, avec des arcs d'observation conditionnés à la position géographique du télescope, avec une limite sur la taille des objets observables et des contraintes liées aux conditions d'éclairement, les observations étant effectuées de nuit avec les objets éclairés par le soleil. [0006] Envisager d'utiliser des dispositifs embarqués à bord de satellites à base de détection radar ou optique aurait d'importants inconvénients, tels une faible portée et la nécessité d'une puissance d'émission importante embarquée à bord du satellite pour une détection radar, et de fortes contraintes d'aménagement et de couverture spatiale pour une détection optique. [0007] Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités, et plus particu- lièrement d'avoir des éléments embarqués à bord de satellites, permettant d'effectuer une surveillance directe et permanente de leur environnement. 2 [0008] Aussi, il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de détection d'au moins un objet spatial dans l'environnement d'un satellite, dit satellite porteur, le système comprenant: - un dispositif de réception de signaux émis par un système de navigation par satellites dits satellites GNSS, embarqué à bord du satellite porteur; et - un dispositif de détection configure pour mettre en oeuvre un traitement de réflectométrie de signaux émis par le système de navigation par satellites GNSS et détecter la présence d'un objet spatial dans l'environnement du satellite porteur à partir d'au moins une mesure de signaux reçus par le dispositif de réception dudit satellite porteur, émis par au moins un satellite GNSS et reçus par un trajet direct et par un trajet réfléchi sur l'objet spatial. [0009] La réflectométrie GNSS est basée sur l'observation à la fois des signaux GNSS reçus directement et ceux acquis après réflexion sur des objets ou des surfaces distantes. La connaissance du signal GNSS permet la soustraction du signal direct, et l'exploitation des signaux réfléchis afin d'estimer des caractéristiques relatives aux objets ou surfaces sur lesquels ils se sont réfléchis. [0010] Ainsi, il est possible de détecter la présence d'un objet spatial dans l'environnement du satellite porteur, et typiquement à une distance inférieure à 20 000 km. [0011] Dans un mode de réalisation, le système comprend un dispositif de détermination de valeurs de paramètres d'un modèle de trajectoire de l'objet spatial détecté, à partir d'au moins autant de mesures de temps de trajets, ou de mesures de temps de trajets et d'effet Doppler extraits de signaux reçus par le dispositif de réception, que le modèle de trajectoire comporte de paramètres inconnus, émis par au moins trois satellites GNSS et reçus par un trajet direct et par un trajet réfléchi sur l'objet spatial. [0012] Ainsi il est possible de déterminer la trajectoire d'un objet spatial avec une complexité embarquée réduite. [0013] Dans un mode de réalisation, le système comprend un dispositif de détermination d'une position de l'objet spatial détecté, à partir d'au moins trois mesures synchrones de signaux reçus par le dispositif de réception émis par au moins trois satellites GNSS et reçus par un trajet direct et par un trajet réfléchi sur l'objet spatial. [0014] Ainsi il est possible de localiser un objet spatial avec une complexité embarquée réduite. [0015] Par exemple, le modèle de trajectoire de l'objet spatial (B) détecté est Képlérien, et le nombre minimum de mesures effectuées sur au moins trois satellites GNSS différents vaut six. [0016] Selon un mode de réalisation, le dispositif de réception comprend des antennes disposées sur ledit satellite et configurées pour couvrir angulairement un domaine spatial à surveiller. 3 [0017] On entend par domaine spatial à surveiller la totalité du domaine angulaire entourant le satellite porteur, soit un angle solide de 43r stéradians. [0018] Dans un mode de réalisation, les dispositifs de détection et de détermination sont embarqués à bord du satellite porteur. [0019] En variante, les dispositifs de détection et de détermination sont répartis entre le satellite porteur et le sol. [0020] En variante, les dispositifs de détection et de détermination sont disposés au sol. [0021] Ainsi la détection et/ou la détermination de la trajectoire de l'objet spatial peut être effectuée dans le satellite ou au sol, ou de manière répartie entre la satellite et le sol. [0022] Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de détection d'au moins un objet spatial dans l'environnement d'un satellite dit satellite porteur dans lequel on met en oeuvre un traitement de réflectométrie de signaux émis par un système de navigation par satellites dits satellites GNSS et on détecte la présence d'un objet spatial dans l'environnement dudit satellite porteur à partir d'au moins une mesure de signaux reçus, émis par au moins un satellite GNSS et reçus par un trajet direct et par un trajet réfléchi sur l'objet spatial. [0023] L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels les figures: [0024] [fig.1], [Fig.2] et [Fig.3] illustrent schématiquement un système de détection d'un objet spatial dans l'environnement d'un satellite porteur, selon un aspect de l'invention; et [0025] [fig.4], [Fig.5] et [Fig.6] illustrent schématiquement différents modes de réalisations d'un système de détection d'un objet spatial dans l'environnement d'un satellite porteur, selon un aspect de l'invention. [0026] Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont si- milaires. [0027] Dans la présente description, les modes de réalisation décrits ne sont pas limitatifs, et les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails. [0028] La figure 1 représente schématiquement un système de détection d'au moins un objet spatial B dans l'environnement d'un satellite dit satellite porteur C, le système comprenant: - un dispositif de réception DR (comprenant des antennes et un récepteur) de signaux émis par un système de navigation par satellites dits satellites GNSS, embarqué à bord dudit satellite C; et - un dispositif de détection DD configuré pour mettre en oeuvre un traitement de réflectométrie de signaux émis par le système de navigation par satellites GNSS et détecter la présence d'un objet spatial B dans l'environnement du satellite porteur C à partir d'au moins une mesure de signaux reçus par le dispositif de réception dudit satellite porteur C, émis par au moins un satellite GNSS Ai, en l'espèce trois satellites AI, A2, A3 et reçus par un trajet direct SI, S,, S3 et par un trajet réfléchi S'1, SI3 sur l'objet spatial B. [0029] Les dispositifs de réception DR et de détection DD sont représentés sur les figures 4, et 6. (merci de préciser DD sur les figures 4, 5 et 6). [0030] Comme illustré sur la figure 1, l'ensemble des éléments se déplacent au cours du temps t. [0031] On entend par objet spatial situé dans l'environnement du satellite C un satellite, un débris artificiel ou un corps naturel B situé à une distance du satellite C inférieure à un seuil, typiquement à moins de 20 000 km. [0032] Le satellite à protéger C reçoit d'au moins un satellite Ai d'un système de navigation par satellites, ou GNSS pour acronyme de "Global Navigation Satellite System" en langue anglaise, un signal Si par un trajet direct, et un signal S'i par un trajet réfléchi sur l'objet spatial B. [0033] Le satellite à protéger C comprend un dispositif de réception de signaux émis par un GNSS. [0034] Le dispositif de détection est configuré pour mettre en oeuvre un traitement de réflec- tométrie de signaux émis par des satellites GNSS et reçus par le satellite porteur C. Le dispositif de détection peut être embarqué en totalité à bord du satellite porteur C à protéger, ou bien être déporté au sol sur Terre, ou être réparti entre le satellite porteur C à protéger et le sol. [0035] Le dispositif de détection est configuré pour mettre en oeuvre un traitement de réflec- tométrie des signaux émis par au moins un satellite GNSS. [0036] Si le dispositif de réception reçoit au moins un signal direct et réfléchi sur un objet spatial B dans l'environnement du satellite porteur C d'un seul satellite GNSS. Le dispositif de détection est capable de détecter la présence de l'objet spatial B. [0037] Les satellites GNSS A,, en l'espèce trois sont représentés, AI, A, et A3, et le satellite porteur C évoluent sur des trajectoires orbitales très bien connues. [0038] De ce fait, les mesures successives de temps de trajets, ou de temps de trajets et d'effets Doppler, effectués sur les signaux issus des satellites Ai à différents instants, permettent de reconstituer la trajectoire de l'objet spatial distant B: il faut pour cela effectuer plus de mesures qu'il y a d'inconnues dans le modèle de trajectoire. [0039] Par exemple un modèle de trajectoire Keplerienne à 6 inconnues (demi-grand axe, in- clinaison, excentricité, noeud ascendant, argument du périgée, et anomalie) nécessite au moins 6 mesures issues d'au moins 3 satellites différents. Plus le nombre de mesures effectuées est important, meilleure est la détermination de la trajectoire de l'objet 5 spatial B. [0040] Il est possible, de manière plus générale, d'appliquer le même raisonnement dans le cas de trajectoire non képlériennes, c'est à dire pour l'estimation de trajectoires d'objets distants B disposant de moyens de propulsion (chimiques ou électriques). La propulsion permet à ces objets d'ajouter une accélération à la composante d'accélération gravitationnelle. Pour les phases durant lesquelles la propulsion est mise en oeuvre, le vecteur d'accélération de l'objet distant B s'ajoute aux inconnues képlériennes dans le modèle de trajectoire, soit trois inconnues supplémentaires. Pour la modélisation correspondante, on peut notamment se référer à l'ouvrage « Cours de technologie Spatiale, Techniques et Technologies des Véhicules Spatiaux - Volume Chapitre 11.1.4 Manoeuvres Orbitales » CNES, cd Cepadues. Il faut alors dans cc cas au moins autant de mesures de signaux reçus que le modèle de trajectoire comporte de paramètres inconnus. [0041] Sur la figure 2 sont représentés un trajet direct entre un satellite GNSS Ai et le satellite C à protéger, ainsi qu'un trajet réfléchi sur l'objet spatial B entre le satellite GNSS Ai et le satellite C à protéger. [0042] Concernant les temps de trajets, on a, à un instant t, le temps de trajet ti(t;) d'un signal GNSS du satellite Ai au satellite C en étant réfléchi sur un objet spatial B qui peut s'écrire selon la relation suivante: Ti(t;) = (AiB + BC)/c = (X,ti), dans laquelle: AB et BC représentent des distances, en m, c représente la célérité ou vitesse de la lumière dans le vide, i.e. 299 792 458 m/s fi représente une fonction dont l'expression est connue, et X représente le vecteur dont les composantes sont les inconnues du modèle de trajectoire utilisé (par exemple dans un modèle de trajectoire Keplerienne à 6 inconnues (demi-grand axe, inclinaison, excentricité, noeud ascendant, argument du périgée, et anomalie)), et la solution représente la trajectoire de l'objet spatial B. [0043] Le modèle de trajectoire fi de l'objet inconnu donne une expression de sa position en fonction des paramètres à estimer X et de la date t. La position de l'objet spatial B peut donc se formuler par une expression B(X,tj) où les inconnues sont les paramètres X. Les positions des satellites GNSS Ai(tj) et du satellite porteur C(tj) étant parfaitement connues, le temps de trajet ift;) s'exprime comme une fonction (complexe mais d'expression connue comme par exemple décrit dans le document CNES - Mécanique Spatiale, Tome I chapitre 4.7, Jean Pierre Carzou et al. 1995, édition CEPADUES ISBN 2.85428373.2) de la date tj et des paramètres à estimer X. [0044] Il est prévu, pour le cas de présence de plusieurs objets spatiaux B simultanément, de faire un tri des signaux de rétlectométrie, par objet spatial B, par des méthodes 6 connues, telles celles décrites dans les ouvrages de référence qui suivent: "Baycsian Multiple Targct Tracking, Second Edition" De Lawrence D. Stone, Roy L. Strcit, Thomas L. Corwin, Kristine L. Bell, cd Artcch House 2013; "Tracking and Data Association", Y Bar-Shalom, T.E. Fortmann, cd Academix Press 1988, ou "Multiple Target Tracking with Radar Applications", S.S. Blackman, cd Artech housc 1986. [0045] Sur la figure 3 sont représentés un trajet direct entre un satellite GNSS A, et le satellite C à protéger, ainsi qu'un trajet réfléchi sur l'objet spatial B entre le satellite GNSS A, et le satellite C à protéger. Le vecteur vitesse Iri instantanée du satellite GNSS A, le vecteur vitesse v c instantanée du satellite C à protéger et le vecteur vitesse V B instantanée de l'objet spatial B sont également représentés. 100461 Concernant les effets Doppler, on a, à un instant un décalage Doppler b,(ti) sur la fréquence reçue d'un signal GNSS du satellite A, au satellite C en étant réfléchi sur un objet spatial B qui peut s'écrire selon la relation suivante: ô )_ 1. - )- g (X, t i ( AiC BC ti;) II AiC BC II I c dans laquelle: ei représente une fonction dont l'expression est connue, et X représente le vecteur dont les composantes sont les inconnues du modèle de trajectoire utilisé (par exemple dans un modèle de trajectoire Keplerienne à 6 inconnues (demi-grand axe, inclinaison, excentricité, noeud ascendant, argument du périgée, et anomalie)), et la solution représente la trajectoire de l'objet spatial B. 100471 Concernant la fonction gi de même que pour les temps de trajet, les positions et vitesses des satellites GNSS Ai, et du satellite porteur C à l'instant tj sont connues, et les positions et vitesses de B peuvent s'exprimer grâce au modèle de trajectoire en fonction de X et tj. Donc le Doppler à l'instant tj s'exprime comme une fonction (complexe mais connue comme par exemple décrit dans le document CNES Mécanique Spatiale, Tome I chapitre 4.7. Jean Pierre Carrou et al. 1995, édition CEPADUES ISBN 2.85428373.2) des paramètres à estimer X. [0048] Concernant les mesures d'effet Doppler. les positions et vitesses des satellites A, et C sont connues avec précision. La mesure d'effet Doppler sur le signal réfléchi est lié à la position et la vitesse de l'objet B. que l'on peut relier à un modèle de trajectoire à nombre limité d'inconnues (Par exemple un modèle de trajectoire Keplerienne à 6 inconnues (demi-grand axe, inclinaison, excentricité, noeud ascendant, argument du périgée, et anomalie). [0049] Les mesures de temps de trajets et/ou d'effet Doppler effectuées à différents instants tj sur les signaux réfléchis sur l'objet spatial B et issus de différents satellites Ai. soit ri (ti) et ô i( tj) fournissent donc un système d'équations dont les inconnues sont les 7 composantes du vecteur X étant les paramètres du modèle de trajectoire. L'inversion de cc système d'équations, par des méthodes de maximum de vraisemblance, connues (comme une méthode de Gauss-Newton ou un filtrage de Kalman) permet de déterminer les valeurs de ces paramètres. [0050] La présente invention est applicable pour des satellites à protéger, par exemple en orbite basse ou en orbite géostationnaire. [0051] Il est possible dans ce contexte d'appliquer les techniques de réflectométrie en hy- pothèses vectorielles (VDLL pour acronyme de "Vcctor Delay Lock Loop" en langue anglaise) dans le domaine des orbites voisines plutôt qu'en temps/fréquence pour réduire les domaines de recherche et faciliter l'intégration multi-satellite (comme décrit dans "Fundamentals of Signal Tracking Thcory,", Spilker, I I , in Global Positioning System: Thcory and Applications, Vol. 1. Progress in Astronautics and Acronautics, Volume 163, AIAA, Washington, D.C., 1996). [0052] La figure 4 représente schématiquement un système de détection d'au moins un objet spatial B dans l'environnement d'un satellite dit satellite porteur C. Le satellite porteur C comprend un dispositif de réception de signaux émis par un système de navigation par satellites GNSS comprenant des antennes GNSS et garantissant la couverture spatiale souhaitée. [0053] Le satellite C comprend en outre processeur embarqué à son bord effectue la sous- traction des trajets directs et la détection des trajets réfléchis sur des objets spatiaux distants B. Le processeur effectue également l'extraction des mesures de temps de trajet et de décalages Doppler, ainsi qu'une estimation des paramètres du modèle de trajectoire des objets distants B, permettant la restitution de l'évolution temporelle de leurs positions. Le satellite C comprend également un émetteur pour envoyer les données vers le sol. [0054] La figure 5 représente schématiquement une variante dans laquelle le système de détection d'au moins un objet spatial B dans l'environnement d'un satellite dit satellite porteur C. Le satellite porteur C comprend un dispositif de réception de signaux émis par un système de navigation par satellites GNSS comprenant des antennes GNSS et garantissant la couverture spatiale souhaitée. [0055] Le satellite C comprend en outre processeur embarqué à son bord effectuant la sous- traction des trajets directs et la détection des trajets réfléchis sur des objets spatiaux distants B, ainsi que l'extraction des mesures de temps de trajet et de décalages Doppler. [0056] Le satellite C comprend également un émetteur pour envoyer les données vers le sol. [0057] Un récepteur au sol reçoit les données au sol émises par l'émetteur du satellite C. [0058] Un processeur au sol effectue alors une estimation des paramètres du modèle de tra- jectoire des objets distants B. 8 [0059] La figure 6 représente schématiquement une variante dans laquelle le système de détection d'au moins un objet spatial B dans l'environnement d'un satellite dit satellite porteur C. Le satellite porteur C comprend un dispositif de réception de signaux émis par un système de navigation par satellites GNSS comprenant des antennes GNSS et garantissant la couverture spatiale souhaitée. [0060] Le satellite C comprend également un émetteur pour envoyer les données vers le sol. [0061] Un récepteur au sol reçoit les données au sol émises par l'émetteur du satellite C [0062] Un processeur au sol effectue la soustraction des trajets directs et la détection des trajets réfléchis sur des objets spatiaux distants B. Le processeur effectue également l'extraction des mesures de temps de trajet et de décalages Doppler, ainsi qu'une estimation des paramètres du modèle de trajectoire des objets distants B, permettant la restitution de l'évolution temporelle de leurs positions. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] REVENDICATIONSSystème dc détection d'au moins un objet spatial (B) dans l'environnement d'un satellite dit satellite porteur (C), le système comprenant: - un dispositif de réception (DR) de signaux émis par un système de navigation par satellites dits satellites GNSS, embarqué à bord dudit satellite (C); et - un dispositif de détection (DD) configure pour mettre en oeuvre un traitement de réflectométrie dc signaux émis par le système dc navigation par satellites GNSS et détecter la présence d'un objet spatial (B) dans l'environnement du satellite porteur (C) à partir d'au moins une mesure de signaux reçus par le dispositif de réception (DR) dudit satellite porteur (C), émis par au moins un satellite GNSS (A1, A,, A3) et reçus par un trajet direct (SI, S2, S2) et par un trajet réfléchi (S'1, S'2, SI3) sur l'objet spatial (B). Système selon la revendication 1, comprenant un dispositif de détermination (DET) de valeurs de paramètres d'un modèle de trajectoire de l'objet spatial détecté, à partir d'au moins autant de mesures de temps de trajets, ou de mesures de temps de trajets et d'effet Doppler extraits de signaux reçus par le dispositif de réception, que le modèle de trajectoire comporte de paramètres inconnus, émis par au moins trois satellites GNSS et reçus par un trajet direct et par un trajet réfléchi sur l'objet spatial. Système selon la revendication 1 ou 2, comprenant un dispositif de détermination (DDP) d'une position de l'objet spatial (B) détecté, à partir d'au moins trois mesures synchrones de signaux reçus par le dispositif de réception émis par au moins trois satellites GNSS et reçus par un trajet direct et par un trajet réfléchi sur l'objet spatial (B). Système selon la revendication 2, dans lequel le modèle de trajectoire de l'objet spatial (B) détecté est Képlérien, et le nombre de mesures indépendantes est six. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de réception (DR) comprend des antennes disposées sur le satellite porteur (C) configurées pour couvrir angulairement un domaine spatial à surveiller. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les dispositifs de détection (DD, DET) et de détermination sont embarqués à 10 [Revendication 7] bord du satellite porteur (C). [Revendication 8] Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les dispositifs de détection et de détermination (DD, DET) sont répartis entre le satellite porteur (C) et le sol. [Revendication 9] Système selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les dispositifs de détection et de détermination (DD, DET) sont disposés au sol. Procédé de détection d'au moins un objet spatial dans l'environnement d'un satellite dit satellite porteur (C) dans lequel on met en oeuvre un traitement de réflectométrie de signaux émis par un système de navigation par satellites dits satellites GNSS et on détecte la présence d'un objet spatial (B) dans l'environnement dudit satellite porteur à partir d'au moins une mesure de signaux reçus, émis par au moins un satellite GNSS (Al, A,, A3) et reçus par un trajet direct (SI, S2, S3) et par un trajet réfléchi (5'1, St2, S'1) sur l'objet spatial (B).