Contrôle d'attitude - Définition et Explications

Définition

Le système de contrôle d'Attitude d'un satellite désigne l'ensemble des équipements et algorithmes mis en œuvre de manière autonome sur un satellite artificiel afin de lui permettre de contrôler précisément son attitude, c'est-à-dire son orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) dans l'espace autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de son centre de gravité (Le centre de gravité est le point d'application de la résultante des forces de gravité ou de pesanteur. Il est également le point d'intersection de tous les plans qui...). Le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) d'attitude se distingue du contrôle d'orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) qui consiste à commander la position (et ses dérivées) du centre de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) du satellite (Satellite peut faire référence à :) dans l'espace. Néanmoins, le contrôle d'attitude et d'orbite sont souvent étroitement liés et un satellite artificiel (Un satellite artificiel est un objet fabriqué par l'homme, envoyé dans l'espace à l'aide d'un lanceur et gravitant autour d'une planète ou...) est généralement doté d'un système de contrôle d'attitude 'et' d'orbite (SCAO).

Le contrôle d'attitude, de par la diversité et la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par...) des disciplines de l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) qu'il met en œuvre, est devenu une discipline à part entière pratiquée par quelques spécialistes travaillant chez les acteurs majeurs du domaine spatial ou dans des milieux universitaires. Ce domaine fait appel à la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...), la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien,...), l'automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les...) et bien sûr aux mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les mathématiques...) (algèbre principalement).

Objectif

Le contrôle d'attitude assure deux fonctions essentielles :

1) Il contribue à la survie du satellite (Satellite peut faire référence à :) : Un satellite doit en effet être en permanence capable d'orienter ses panneaux solaires vers le soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...) afin de recharger ses batterie lorsque cela est nécessaire. Si le niveau des batteries descend en dessous d'un certain seuil, celles-ci deviennent inutilisables et, privé d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), le satellite n'est plus qu'une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre...) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) incapable d'assurer sa mission.

2) Il contribue à la performance du satellite. Du fait de la distance généralement grande entre un satellite et la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...), celui-ci doit être capable de pointer sa charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) (antenne, télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille apparente des...), ...) de manière très précise vers des zones géographiques données. Par ex : pour un satellite de télécommunications (Un satellite de télécommunications est un satellite artificiel positionné dans l'espace pour des besoins de télécommunications. Il peut utiliser une orbite...), évoluant à 36000 km environ, une erreur de pointage de 0.1° correspond à une erreur au sol de 63 km.

Le Système de Contrôle d'Attitude (SCA) assure le pointage :

  • des panneaux solaires
  • des instruments: cela comprend les antennes, la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) utile, les instruments du système de contrôle d'attitude lui-même; en particulier, il assure la survie des instruments en tenant garde à ce qu'aucun instrument ne pointe une direction qui pourrait le détruire du fait de sa forte sensibilité (généralement la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474 km. La distance moyenne...), la Terre et surtout le Soleil pour les satellites en orbite terrestre)
  • des tuyeres : lors des manœuvres de contrôle d'orbite, il est absolument nécessaire d'orienter convenablement le système propulsif.
  • du sous-système de contrôle thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...): l'orientation des faces du satellite relativement à la direction du Soleil (et dans une moindre mesure de la Terre et de la Lune) affecte parfois considérablement le contrôle thermique du satellite.

En plus de contrôller l'orientation du satellite, le SCA est amené à orienter des éléments amovibles (panneaux solaires, plate-forme d'instruments...).

On distingue plusieurs grandes familles de satellites du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) du contrôle d'attitude:

  • satellite stabilisé passivement par gradient de gravité
  • satellite spinné: le satellite est lancé en rotation autour d'un de ses axes (cela permet de stabiliser un axe du satellite, en utilisant le phénomène de raideur gyroscopique); ce type de plate-forme permet de scanner (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de...) rapidement une bande au sol (par exemple pour un satellite météo) ou l'espace environnant (par exemple pour un satellite scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) analysant le plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à...) de l'ionosphère).
  • satellite stabilisé 3 axes: pour ces satellites le SCA permet de rejoindre une attitude et de s'y stabiliser; la plupart des satellites d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...), utilisent ce type de plate-forme.

On trouve aussi des satellites dual-spin mélangeant les deux derniers concepts, qui se compose d'un corps stabilisé en attitude et d'un autre mis en rotation.

Principe d'action et de réaction

Afin de faire tourner le satellite autour d'un axe, c'est le principe d'action et de réaction qui est utilisé, sous deux formes possibles :

Action/Réaction interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon...) au satellite :

  • Equipement : roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) de réaction
  • Principe : un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une...) électrique, rigidement lié à un axe satellite, exerce un couple afin de mettre en rotation la roue autour de cet axe.
  • Action : couple exercé par le satellite sur le moteur, qui provoque une rotation de la roue
  • Réaction : couple opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même niveau, l'un en face de...) exercé par la roue sur le satellite, qui met en rotation le satellite sur le même axe mais dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) opposé.
  • Conséquence : conservation du moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des...) du satellite

Un autre système, appelé actionneur gyroscopique, entre également dans la classification d'action/réaction interne au satellite. Son principe, plus complexe, s'appuie sur l'effet gyroscopique. Il a notamment l'avantage d'être plus dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et par là de conférer une agilité supérieure au satellite.

Action/Réaction avec l'extérieur du satellite

  • Equipement : tuyères
  • Principe : le même que celui d'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le cas d'un engin...) à réaction : des particules sont éjectées de tuyères suivant une direction donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.).
  • Action : force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) exercée par le satellite sur les particules éjectées
  • Réaction : force opposée exercée par les particules sur le satellite suivant un axe qui ne passe pas par le centre de gravité du satellite : effet de bras de levier qui résulte en une rotation du satellite sur lui-même.
  • Conséquence : variation du moment cinétique total du satellite du fait de l'action d'un couple externe.

On peut aussi citer les torqueurs magnétiques, qui utilisent le champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs – qui se comporte comme une...) pour appliquer un couple externe au satellite et modifier ainsi le moment cinétique global du satellite.

Architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) d'un système de Contrôle d'Attitude et d'Orbite (SCAO)

Vue d'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...)

Un SCAO se divise en 3 principaux sous-ensembles:

  • Les Capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une...): leur rôle est de mesurer l'attitude (et parfois la position) du satellite.
  • Les Actionneurs: leur rôle est de modifier l'attitude et la position du satellite.
  • Le logiciel (En informatique, un logiciel est un ensemble d'informations relatives à des traitements effectués automatiquement par un appareil informatique. Y sont inclus les instructions de traitement, regroupées sous forme de...) vol SCAO: ce dernier est chargé d'estimer l'attitude (et éventuellement la position) à partir des mesures des capteurs, de sélectionner le profil à suivre à partir de la télécommande (Les télécommandes sont des dispositifs, généralement de taille réduite, servant à en manipuler un autre à distance, via un câble, par infrarouge ou ondes radio. Les...) sol et de l'estimée de l'attitude (Guidage), de commander les actionneurs pour faire coincider au mieux l'estimée de l'attitude et le profil sélectionné (Contrôle).

Les Senseurs

La position des satellites (restitution d'orbite) est généralement déterminée au sol à partir de mesures effectuées par les stations sols. La plupart des senseurs que l'on trouve dans les SCAO servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.)

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