Il ne s'agit pas sur ce modeste site de faire la synthèse de toutes les questions relatives à un nanosatellite. Ayant particulièrement passé du temps sur un point précis, qui est le contrôle en orbite de l'attitude du satellite ( SCA car il n'y a pas de contrôle d'orbite sinon SCAO ) je me limiterai aux données uniquement relatives à cette étude précise, renvoyant le lecteur vers des sites plus spécialisés pour les problèmes techniques.

Auparavant, il peut être intéressant de visiter des projets déjà réalisés:

- | SwissCube en PDF |  OUFTI université de Liège   | 

I DONNEES ELEMENTAIRES :

1°) MISSION :

Le nanosatellite est chargé d'une mission de prise de vues, avec une caméra supportant un dépointage de 5° maximum.

Son orbite est choisie, juste au lancement (en passager secondaire) héliosynchrone:

- Altitude circulaire de 817 km

- Inclinaison de 98°.7

- Excentricité 0.0017

- Heure locale au nœud ascendant 21 h 30

Aucun contrôle d'orbite, n'est prévu

Pour le respect de l'environnement, une désorbitation est obligatoire après 25 années de service???

2°) CONSIGNE D'ATTITUDE :

Le nanosatellite est prévu pointé zénith avec, nous l'avons dit, un dépointage toléré inférieur à 5°.

L'axe de plus grande inertie y aligné sur l'axe Y du repère orbital, celui qui porte la rotation orbitale. Donc x sur l'axe roulis X et z sur celui du tangage Z.

3°) EQUIPEMENTS POUR REALISER LE SCA :

On trouvera à bord:

- Une roue à inertie ci dessous une roue avec inertie estimée

On a un choix sur 3 roues

- Trois "magnétocoupleurs" 

Voir aussi sur ce site

• Informations disponibles à bord, en automatique, grâce aux magnétomètres et senseurs dédiés, ces équipements ne seront pas forcément présents, tout dépendra de la stratégie SCAO choisie avec le minimum de moyens :

- Un modèle de champ magnétique embarqué est possible. Il existe un modèle appelé IGRF ( International Geomagnetic Reference Field ) qui fournit les composantes, Est, Nord, Zénith du champ magnétique moyennant la connaissance de la date, et de la position géocentrique ( altitude, longitude et latitude ) 

Voir sur ce site 

 Voir lien 1  lien 2 ( pour un calcul ponctuel ) lien 3 ( ponctuel ) lien 4 ( routines Matlab )

- Moyens de calcul classiques avec informatique et électronique dédiées ( numérique + analogique )

4°) DONNEES INERTIELLES ET MASSIQUE :

La matrice d'inertie du satellite, roue supposée bloquée sur le satellite S

Elle est susceptible de modifications mineures, au cours de l'avancement du projet.

La masse du satellite est approximée autour de 3 kg, peut-être moins.

5°) ESTIMATIONS DES PERTURBATIONS :

Le lecteur se documentera sur les origines diverses des perturbations. Nous ne donnons qu'une valeur approximative pour chaque type. Divers projets réalisés par des étudiants permettront d'affiner le calcul des perturbations.

Surface à prendre en compte pour la traînée ou la pression de radiation solaire S = 2 dm².

II LES TROIS CONTRÔLES A REALISER + LA DESATURATION :

NB : Rien n'impose plusieurs contrôles, peut-être qu'un seul peut réaliser l'ensemble du SCA !!!

Le SCA commence dès le lancement et se poursuit tout au long de la durée de la mission estimée à une ou deux années.

Sans motorisation, sans aérodynamique, sans déploiement de mâts..., il ne reste que le champ magnétique comme acteur d'une stabilisation, utilisant le couple magnétique créé par une bobine alimentée en courant, placée dans le champ magnétique terrestre.

 1°) PHASE DE REDUCTION DES VITESSES ( DETUMBLING ):

Le lanceur place le nanosatellite en orbite avec des dispersions sur les paramètres et vitesses angulaires totalement inconnues. Ce qui signifie qu'on ne peut pas prévoir, ni l'attitude, ni la rotation instantanée du satellite, au moment de la mise en orbite. Seules des valeurs maximales de ces dispersions seront certainement connues. Je ne les ai pas encore.

C'est la phase dite de "TUMBLING" ou "DETUMBLING". La première étape consiste donc à réduire les vitesses angulaires, jusqu'à pratiquement stabiliser le satellite en pointage stellaire ou encore en pointage inertiel  à priori non prévisible ( du moins pour moi, en l'état de mes connaissances non exhaustives ).

Le lecteur s'adressera à la technique de la dérivée du champ magnétique ( technique dite "Bpoint" ) qui permet de dissiper l'énergie de rotation, à coup sûr. 

Deux techniques sont possibles et ont fait l'objet de dépôt de brevets, recueillis sur Internet:

- Celle de M DAMILANO basée sur la dérivée du champ magnétique ( méthode Bpoint )

- Celle de M LAURENS dite méthode " boussole " avec assistance d'une roue.

L'utilisation d'une roue cinétique pourra peut-être apporter une aide à l'acquisition des angles,

2°) PHASE DE POINTAGE GROSSIER VERS LE POINTAGE FIN ( ACQUISITION DE LA POSITION DE TRAVAIL ):

La première phase étant réalisée, le satellite est pratiquement arrêté dans une attitude presque inertiellement fixe, qui n'est pas forcément celle de travail, autant dire que les angles ne sont pas acquis.

Commence alors la deuxième phase qui consiste à amener le satellite en position "POINTAGE ZENITH", c'est l'acquisition des angles.

3°) MAINTIEN DU POINTAGE FIN ( EN POSITION DE TRAVAIL ):

Durant toute la durée d'exploitation du satellite, celui-ci est soumis à des perturbations qui ont tendance à le déstabiliser. Il faut donc le maintenir au voisinage de sa position de travail, en utilisant soit les magnétocoupleurs, soit la roue de réaction, soit les deux.

- La roue de réaction placée sur le tangage, permet de contrôler ce dernier, grâce au couple de réaction qu'elle génère sur le satellite, en modifiant la vitesse ( on dit encore roue de réaction ).

- Les magnétocoupleurs peuvent contrôler les deux autres axes.

Le problème majeur avec une roue est qu'en moyenne, les couples perturbateurs qu'elle contre en continu, vont faire varier la vitesse toujours dans le même sens. La roue finira par atteindre une vitesse limite de fonctionnement qu'il ne faut pas dépasser. On dit qu'elle est saturée, il faut donc la désaturer, c'est l'objet de 4°)

NB :  Elle peut aussi être utilisée à vitesse constante pour le couple gyroscopique  qu'elle génère par couplage avec certaines des composantes de la rotation satellite. Dans ce cas le problème de saturation ne se pose pas.

4°) DESATURATION DE LA ROUE :

Lorsque la roue atteint sa vitesse maximale  de fonctionnement ( >  ou <0 ), on doit ramener cette vitesse aux environs de la vitesse opposée atteinte.

Pour cette opération, seuls les magnétocoupleurs sont utilisables, en créant artificiellement un couple sur le satellite qui oblige la roue à travailler pour contrer ce couple momentanément considéré comme perturbateur ( mais nettement plus que les perturbations classiques ):

- supportable par la roue.

- supportable par les magnétocoupleurs.

- acceptable sur le plan de la consommation énergétique.

- non déstabilisant pour le satellite.

4°) MODE SURVIE :

Pour l'instant non envisagé en 2014, car à priori difficile à définir ( pour nous )? Depuis, le projet a évolué et plusieurs possibilités ont été envisagées en 2016.

Voir la page dédiée. 

III LES OUTILS DE SIMULATION :

Chacun a sa méthode et son logiciel de calcul. Le mien est une version Matlab des années 1990 ( qui me convient très bien )

1°) LE PARAMETRAGE DU POINTAGE FIN:

En ce qui me concerne, pour la phase de régulation pointage fin, j'ai adopté, dans un premier temps,  les angles de Cardan ( roulis - tangage - lacet ) dans le cadre d'une approximation petits angles. Il est probable que la complexité du projet nous invite à travailler avec le quaternion d'attitude, pour avoir une simulation générale, surtout en " tumbling " avec une dynamique imprévisible.

La mise en équations, avec la matrice d'inertie non diagonale, est lourde avec le TMC et encore plus ' technique' et aussi lourde, avec le formalisme lagrangien.

2°) LE PARAMETRAGE DU TUMBLING:

Pour les autres phases, les angles pouvant prendre toute valeur imprévisible, il est nécessaire d'utiliser le quaternion d'attitude qui ne présente jamais de singularité de position et surtout de calcul ( pas de division par 0 )

Pour les quaternions voir site 1 ou site 2

Naturellement les équations sont plus particulières, mais pas nécessairement plus complexes. Seul le retour aux angles est moins évident.

3°) RESPECT DES SPECIFICATIONS:

Il faudra veiller à respecter les spécifications de fonctionnement :

- de la roue

- des magnétocoupleurs

- de précision pointage

- de gestion de l'énergie en temps et lieu

- Transmission des résultats et régulations ( coupées ou pas )

Specification 7 : Le magnétomètre devra être capable de mesurer les composantes du champ total dans une gamme de +/-40μT avec une résolution de 10nT (AC)

Specification 8 : Le magnétomètre ne doit pas être perturbé par le champ magnétique résiduel du satellite afin de reproduire le champ magnétique terrestre local. Il sera donc nécessaire de couper tout actionneur ou autre élément perturbateur avant d’initier une mesure du champ magnétique terrestre local. Les simulations devront approcher au mieux la phase de mesure et celle de l'action mécanique,

Voir un article très sérieux avec dépôt de brevet .

4°) SUIVI DE L'EVOLUTION DE L'ORBITE:

Sous l'effet des perturbations, les paramètres orbitaux vont évoluer. Une étude spécifique est nécessaire pour connaître la répercussion sur, par exemple un modèle de champ magnétique embarqué.

IV LIENS UTILES :

http://nanosats.sciencesconf.org/conference/nanosats/pages/nanosatellites_resumes.pdf

Pour d'autres applications : Un article très pointu et de très grand sérieux

Plateforme cubesat

Service lancement cubesat NASA

Guiziou Robert janvier 2014