GENERALITES SUR LE CONTROLE D'ATTITUDE D'UN SATELLITE

	CONTENU : Mis à jour 27juillet 2000, revu sept 2011 I Qu'est-ce que le SCAO? Détecteurs | Electronique et informatique | Actuateurs ou actionneurs | Amortisseurs | II Nécessité du SCAO Maîtrise de l'attitude | Maîtrise de l'orbite | III Rappels sur les perturbations Perturbations externes | Perturbations internes | IV Rappels de mécanique Equations d'Euler

Ce chapitre est une revue générale, mais certainement incomplète, des équipements classiques présents sur un satellite, nécessaires pour le contrôle de son comportement, aussi bien en orientation que sur son orbite.

Il est accompagné de rappels élémentaires sur les équations du mouvement de rotation, équations qui sont reprises dans un autre cours.

I QU'EST-CE QUE LE SCAO?

Un S.C.A.O ( Système de Contrôle d'Attitude et d'Orbite), indispensable à tout satellite, plate-forme spatiale, sonde interplanétaire ou lanceur.

On distingue :

• Les méthodes passives, qui ne consomment pas d'énergie mais imposent une géométrie particulière du satellite: stabilisation par gradient de gravité, par magnétocoupleurs, ...
• Les méthodes actives avec électronique, informatique actuateurs et capteurs embarqués, consommant de l'énergie, à durée de vie limitée.
• On peut encore séparer deux catégories : les satellites sans moment cinétique et ceux qui possèdent un moment cinétique embarqué.

RÔLE DU SCAO : Les 2 points importants sont la MAITRISE DE L'ATTITUDE (c'est à dire de l'orientation du satellite ou mieux de son mouvement autour du centre d'inertie), et le CONTROLE DE LA TRAJECTOIRE, donc des paramètres orbitaux de la du véhicule spatial donc du mouvement du centre d'inertie).

FONCTIONS ASSUREES :

Le SCAO est imposé à la fois par les spécifications propres à la mission et par les perturbations agissant sur le satellite et modifiant en continu sa dynamique.

Parmi les plus importantes citons pour la maîtrise de l'orbite:

La navigation autonome réalisée à bord

La localisation et restitution d'attitude assurée le plus souvent au sol

Le guidage autonome à bord, notamment pour les lanceurs

Le contrôle du vecteur poussée, dans des phases de manœuvre, contrôle assuré à bord du véhicule.

Le calcul au sol des manœuvres importantes ou de maintenance.

Et pour le contrôle de l'attitude :

La mesure de l'attitude, assurée par des senseurs embarqués, et le filtrage des mesures par des algorithmes du genre filtrage de Kalman.

L'élaboration de lois de contrôle utilisées à bord.

La mise en œuvre de la commande, par une logique informatique et de l'automatique qui pilote des actionneurs

Le système très complexe comporte:

1°) DES DETECTEURS :

Permettant notamment de restituer les vitesses angulaires et les angles définissant l'attitude.

Détecteurs optiques

• Senseurs Terre infra rouge (fin ou grands angles)
• Senseurs Soleil (fin ou grands angles)
• Senseur stellaires.
• Photomultiplicateurs
• Bolomètres
• Barrettes à semi-conducteurs et transfert de charge
• Senseur d'élévation Terre - Soleil

Détecteurs inertiels à gyroscopes inertiels ou laser

• Gyromètres
• Accéléromètres
• Magnétomètres

Etc.... Nous conseillons au lecteur de s'adresser aux excellents ouvrages du CNES, toujours naturellement à la pointe de l'actualité et des dernières innovations.

2°) ELECTRONIQUE ET INFORMATIQUE DE BORD :

Pour le traitement des informations capteurs, élaboration d'ordres, surveillances de pannes, reconfigurations et élaboration et contrôle de commandes

• Logique câblée
• Logiciels embarqués éventuellement adaptables
• Gestion des télécommandes et de la télémesure
• Centrale d'ordres

3°) ACTUATEURS OU ACTIONNEURS :

Organes de commande, autorisant une acquisition d'attitude et une réduction des vitesses angulaires, permettant de maintenir une attitude ou d'en amortir les petites oscillations, de changer un pointage, d'assurer un balayage, de stabiliser une phase propulsée etc...

Propulseurs à éjection de masse

• Gaz chauds
• Gaz froids
• Electrique
• Ionique

Inertiels

• Roue cinétique
• Roues de réaction
• A gyroscopes

Magnétiques

• Magnéto coupleurs
• Utilisation de la dérivée du champ magnétique terrestre

Par vrillage de panneaux solaires et interaction avec la pression de radiation photonique due à la lumière solaire et frappant les générateurs solaires.

4°) DES AMORTISSEURS DE NUTATION :

• Passifs à liquides visqueux
• Passifs ou actifs par bobines magnétiques (avec ou sans hystérésis)

II NECCESSITE DU SCAO :

Ce sont les spécifications et contraintes de la mission qui imposent de tels contrôles. Il n'est pas possible d'en dresser une liste exhaustive parce chaque mission a ses propres spécificités.

1°) MAITRISE DE L'ATTITUDE :

A partir de la phase d'injection assurée par le SCAO du lanceur ( appelé SCAR pour Ariane) le SCAO doit assurer en particulier :

• Une manœuvre de "despin" si nécessaire (réduction de la rotation axiale )
• La réduction des vitesses angulaires transverses (réduction de la nutation )
• Les acquisitions roulis - tangage et lacet par l'intermédiaire des acquisitions Terre et Soleil en particulier.
• Eventuellement la manœuvre de retournement si le satellite est pointé à 180° de son pointage nominal

Le SCAO contrôle également

• Le déploiement partiel ou total des panneaux solaires lorsque ceux-ci sont présents (GS = Générateurs Solaires).
• L'orientation des panneaux solaires
• Le déploiement d'autres équipements: antennes...
• Le pointage des charges utiles: antennes, instruments de prise de vues,..

Le SCAO participe à la stabilisation du véhicule notamment dans les manœuvres utilisant des moteurs, en assurant l'orientation du vecteur poussée dans les séquences de maintien à poste, de désaturation éventuelle des roues cinétiques ou à réaction

Le SCAO participe à la gestion du contrôle thermique du véhicule et à la mise en œuvre correcte des équipements (Pointage d'antennes en TM-TC)

Ses performances en précision affectent la qualité des prises de vue pour les missions d'observations de la Terre ou d'astronomie spatiale.

De même les expériences en micro gravité demandent un contrôle très strict des vitesses angulaires, surveillance assurée par le SCAO d'autant plus difficile que certains équipements mobiles, sur ou dans la plate-forme ,induisent des vibrations parasites ( Moteurs des enregistreurs, des caméras, des panneaux solaires, des éléments inertiels etc..)

2°) MAITRISE DE L'ORBITE :

Le SCAO participe activement à toutes les phases de contrôle de l'orbite.

• Maintien à poste et respect des tolérances sur les paramètres orbitaux. En particulier le contrôle de l'inclinaison, dit "Nord-sud" et le contrôle de la longitude de stationnement pour les satellites de télécommunications.
• Dans les transferts suivis de mise à poste, à partir d'une orbite basse(LEO) vers une orbite haute géosynchrone(transfert GTO) ou supersynchrone.
• Rendez-vous orbitaux, avec notamment la phase d'approche vers la cible et l'accostage final.
• Voyages interplanétaires avec les problèmes de pointage d'antennes ou de contrôle de l'atterrissage sur une planète ou sur terre. Ce peut être quelquefois le contrôle du survol d'une planète pour l'obtention d'un tremplin gravitationnel précis, citons la sonde Galiléo, Ulysses et la mission Rosetta à venir vers une comète dans les années 2003-2010.
• Maintien sur une orbite de halo du satellite SOHO, observatoire du Soleil placé au voisinage d'un point de Lagrange du système Terre-Soleil. L'instabilité de la position normalement à l'écliptique, impose un contrôle permanent.
• Respect de la trace au sol, du phasage et de l'heure locale pour les satellites héliosynchrones d'imagerie ou de surveillance terrestre
• Manœuvres de freinage (Déorbitation) lors des phases de retour à Terre. Le guidage doit contrôler notamment le flux thermique , la précision de l'atterrissage pour une récupération éventuelle et maîtriser le déport latéral, en particulier quand il faut éviter une région perturbée de l'océan.
• Transfert vers une orbite cimetière de satellites en fin de vie ou de moteurs nucléaires.

Etc....

3°) EXEMPLES DE SPECIFICATIONS:

Naturellement les besoins dépendent de l'application et nous ne pouvons pas les passer toutes en revue. Citons quelques cas :

• Satellites scientifiques:

Comme Hipparcos qui mesure la distance stellaire par parallaxe sur l'orbite terrestre. L'attitude doit être restituée à 0.001" d'arc

SOHO étudiant le Soleil présente une stabilité de pointage de l'ordre de 1" arc/15 mn.

• Satellites d'imagerie:

La famille SPOT 1 à 3 pointe le sol à 0°.15 et surtout pour obtenir une bonne qualité d'image, la vitesse angulaire est maîtrisée à 0.°001/s.

Par exemple pour SPOT 4, l'usage d'un relais à système optique, impose un pointage précis à 0.1mradian=0°.006, soit 25 fois plus précis que ses prédécesseurs.

• Satellites de télécommunications:

Un pointage de l'ordre de 0°.1 à 0°.2 est nécessaire. Cependant un pointage plus fin permet de gagner de la puissance, puisque le faisceau d'émission est plus réduit.

• Stations spatiales( MIR, FREEDOM, EUREKA...):

Un pointage de l'ordre de 1° est suffisant en général. Par contre comme la station est le siège d'expériences scientifiques, notamment en microgravité de longue durée, un niveau de microgravité de 10^-5g est requis, demandant une surveillance stricte du freinage atmosphérique en particulier et des équipements embarqués pouvant générer des forces parasites..

• Satellites radio amateur::

Quelques degrés de précision en pointage suffisent, ce qui autorise ces satellites à utiliser des stabilisations passives, mêmes si elles conduisent à une précision modeste;

III RAPPELS SUCCINCTS SUR LES PERTURBATIONS :

Vu de la Terre l'espace situé au dessus de 200 km du sol terrestre paraît être le paradis de la perfection mécanique, malheureusement c'est loin d'être le cas.

Les perturbations agissant sur un satellite donnent lieu à des couples ou forces extrêmement faibles mais comme rien n'entrave les rotations, les résultats sont rapidement significatifs et demandent la mise en œuvre de toutes les ressources en astuces mécaniques, informatiques et techniques des automatismes possibles.

Dressons le bilan des perturbations, certaines affectant l'orbite d'autres l'attitude et enfin quelquefois les deux. Seule est envisagée ici la liste de ces perturbations, laissant le soin au lecteur de l'étude détaillée et précise de chacune.

1°) PERTURBATIONS EXTERNES :

Gravitationnelles, affectant l'orbite par une dérive des 2 paramètres orbitaux w (argument nodal du périgée) et W ( Longitude vernale de la ligne des nœuds) et le mouvement autour du centre d'inertie par le couple du au gradient de gravité.

• Non homogénéité de la Terre
• Non sphéricité (Terme J2 du potentiel terrestre)
• Attraction luni-solaire qui joue sur notamment l'inclinaison orbitale
• Freinage atmosphérique résiduel qui se fait notamment sentir sur les orbites basses en dégradant l'énergie mécanique ce qui conduit à une diminution du grand axe de l'orbite par effet de traînée.
• Pression de radiation solaire qui agit sur les surfaces du véhicule, perturbant l'orbite et générant, en particulier par l'intermédiaire des panneaux solaires, des couples perturbateurs de l'attitude . Quelquefois ces couples sont exploités grâce à des volets ou un vrillage des panneaux pour contrer d'autres perturbations du même ordre de grandeur.
• Pression de radiation due à la lumière rediffusée par la Terre (albédo) ayant un effet analogue au précédent mais d'un ordre de grandeur inférieur.
• Interaction entre le champ magnétique terrestre et le moment magnétique résiduel du satellite, quelquefois les couples magnétiques sont volontairement créés par des magnéto coupleurs pour lutter contre d'autres couples. Ceci n'affecte que l'attitude.

2°) PERTURBATIONS INTERNES :

L'origine de ces perturbations est variée et la liste pourrait être longue. Citons les principales:

• Mouvements d'appendices souples comme les GS( générateurs solaires) par exemple ou des mâts porteurs d'instruments etc..
• Couples et vibrations créés par des éléments moteurs mobiles dans la plate-forme: enregistreurs
• Moteurs des panneaux
• Moteurs de caméras
• Moteurs des enregistreurs
• Gyroscopes
• Couples parasites des moteurs de commande des éléments inertiels comme les roues cinétiques dans le cas de moment cinétique.
• Fuites de gaz du système gaz froid.
• Ballottement de liquides dans les réservoirs.

Etc...

IV RAPPELS DE MECANIQUE :

THEOREME DU MOMENT CINETIQUE : "La dérivée absolue du moment cinétique, calculé au centre d'inertie d'un système, est égale au moment en ce point des forces extérieures agissant sur ce système"

Notations:

G centre d'inertie, G_x l'axe de roulis, G_y l'axe de tangage, G_z l'axe de lacet.

La matrice d'inertie du satellite calculée en G et exprimée dans le repère satellite Gxyz.est:

et cas le plus courant où G x, y, z sont principaux d'inertie, la matrice est diagonale, on a alors une matrice plus simple

R----> roulis , T-----> tangage , L------> lacet

Le vecteur rotation instantanée du satellite par rapport au repère inertiel, exprimé en axes satellite est noté:

Le moment total des actions extérieures au satellite exprimé sur les axes satellite, noté

Le moment cinétique H en axes satellite vaut :

1°) Calcul du moment cinétique H d'un solide.:

Nous supposons que le satellite n'est composé que d'éléments assimilables à des solides. Le moment cinétique d'un solide est en G:

2°) Dérivation du moment cinétique :

3°) Equations d'Euler du mouvement :

Tous calculs effectués on aboutit aux équations de la dynamique du satellite autour de son centre d'inertie, en projection sur les axes satellite.

Telles sont les équations dites d' Euler - Newton du mouvement du satellite autour de son centre d'inertie G.

Ce système permet après tabulation de p, q, r de connaître la rotation absolue et donc d'en déduire l'attitude du satellite.

La suite nous montrera comment exprimer l'attitude en fonction des paramètres angulaires et de leurs dérivées.

4°) Etude du mouvement :

En 3°) on a simplement calculé la rotation absolue du satellite, exprimée en axes relatifs. Pour obtenir l'orientation, il faut encore un pas d'intégration, et ce n'est pas le plus facile, car il fait intervenir le paramétrage angulaire. Or l'expérience montre qu'aucun système d'angles n'est parfait et qu'il présente toujours au moins une singularité géométrique, face à une orientation quelconque.

NB 1 :Seuls les quaternions d'attitude donneront une solution dans tous les cas.

NB 2: Voir aussi le cours EQUATIONS D'ATTITUDE D'UN SATELLITE, qui répond en partie à la question, puisqu'il permet le calcul de la matrice de passage du repère inertiel au repère satellite.

Guiziou Robert, cours de 1993 repris en février 1999 puis juillet 2000, sept 2011

Il existe une version Word 97 nommée general.doc