Contrôle d'attitude - Définition
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.
Architecture d'un système de Contrôle d'Attitude et d'Orbite (SCAO)
Vue d'ensemble
Un SCAO se divise en 3 principaux sous-ensembles:
- Les capteurs: leur rôle est de mesurer l'attitude (et parfois la position) de l'engin spatial.
- Les actionneurs: leur rôle est de modifier l'attitude et la position de l'engin spatial.
- Le logiciel 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 sol et de l'estimée de l'attitude (Guidage), de commander les actionneurs pour faire coïncider au mieux l'estimée de l'attitude et le profil sélectionné (Contrôle).
Les capteurs
La position de l'engin spatial (restitution d'orbite) est généralement déterminée au sol à partir de mesures effectuées par les stations sols. La plupart des capteurs que l'on trouve dans les SCAO servent donc à mesurer l'attitude.
Les capteurs optiques
Notons qu'un seul point sur la sphère céleste (étoile, soleil) n'est pas suffisant pour définir l'attitude d'un engin spatial. En effet un point sur la sphère céleste est défini par son ascension droite et sa déclinaison, alors qu'il faut trois angles indépendants (précession, nutation, rotation propre) pour définir de manière unique l'attitude d'un engin spatial.
Capteur stellaire
Il s'agit d'une caméra (le plus souvent à base d'un capteur CCD (mais dans l'avenir d'APS) qui prend des images d'une zone du ciel. En analysant le champ d'étoile imagé et à l'aide d'un catalogue d'étoiles embarqué, la position d'un engin spatial peut-être déterminée. Il peut aussi être utilisé plus simplement pour suivre le déplacement des étoiles dans le champ afin de déterminer la variation de l'attitude: ce mode de fonctionnement est généralement utilisé pour stopper la rotation du véhicule spatial relativement à un référentiel inertiel (en fait lié aux étoiles) ; ces capteurs permettent d'obtenir la meilleure précision dans les mesures d'attitude. Pour les télescopes spatiaux, on utilise souvent l'instrument comme capteur stellaire. En effet, la résolution d'une caméra étant, du fait de la diffraction (il n'y a pas de turbulences atmosphériques dans l'espace), essentiellement liée au diamètre du dispositif optique qui collecte la lumière (miroir ou lentille primaire), l'utilisation de l'instrument principal comme capteur d'attitude permet d'atteindre une précision sub-arcseconde, souvent nécessaire aux observations.
Capteur terre
Un capteur infrarouge avec un mécanisme de balayage de faisceau (ou monté sur un véhicule spatial spinné) qui est sensible à l'émission infrarouge du disque terrestre ; il permet de détecter l'horizon terrestre avec une précision de quelques arc-minutes.
Capteur solaire
Le soleil, avec son diamètre d'un demi-degré depuis la Terre, est une référence d'attitude simple ; certain capteurs solaires déterminent la position du soleil avec une résolution meilleure que l'arc-minute, d'autres indiquent simplement sa présence dans un champ de vue.
Les capteurs inertiels
Gyromètres
Il existe diverses technologies de gyromètre : gyromètre mécanique un ou deux axes, gyromètre laser, gyromètre (laser) à fibre optique, gyromètre résonant. Tous ces instruments permettent de déterminer la variation de l'attitude à tout instant (les composantes du vecteur vitesse de rotation dans un référentiel inertiel suivant le ou les axes du gyromètre) ; la mesure doit être intégrée pour obtenir l'attitude du véhicule spatial. Donc l'incertitude sur l'attitude en sortie d'un gyromètre se détériore avec le temps.
Accéléromètres
Les accéléromètres permettent de déterminer l'accélération du véhicule spatial due aux actions de contact (c.-à-d. hors effets gravitationnels). En intégrant une fois, on peut trouver la vitesse, en intégrant deux fois, la position.
Autres capteurs
Magnétomètres à induction
Le magnétomètre à induction est un instrument qui mesure la variation, dans le temps, du flux du champ magnétique à travers une surface fixe par rapport au véhicule spatial. Il est principalement utilisé sur les véhicules spatiaux spinnés en orbite basse.
Magnétomètre flux gate
Le magnétomètre flux gate est un instrument qui mesure la projection du champ magnétique au voisinage du véhicule spatial sur un axe. A l'aide de la carte du champ magnétique terrestre et de 3 magnétomètres (en théorie, 2 suffisent, si on connaît précisément le module du champ magnétique terrestre au point et à l'instant considéré), connaissant la position sur orbite, on peut obtenir une information (incomplète) sur l'attitude du véhicule spatial. Ces instruments sont sensibles aux perturbations électromagnétiques générées par les équipements des véhicules spatiaux (en particulier les actuateurs à couple magnétique) et ils sont donc souvent éloignés des dispositifs perturbateurs (par exemple en les plaçant à l'extrémité d'une perche fixée au corps du vaisseau spatial). Les magnétomètres dans les SCAO peuvent aussi être utilisés pour déterminer précisément le champ magnétique terrestre afin de calculer la commande sur des actuateurs à couple magnétique (magnétocoupleurs). L'intensité du champ magnétique décroissant rapidement avec l'altitude, l'usage de magnétomètres pour la détermination de l'attitude est réservé aux satellites en orbite basse.
Récepteur GPS
Les satellites en orbite basse peuvent utiliser les informations des systèmes de positionnement par satellites (GPS, GLONASS, EGNOS, ...) pour déterminer leur positions.
Interféromètre radio
La mesure par interférométrie du déphasage entre les signaux de plusieurs récepteurs (antennes disposées sur l'engin spatial) écoutant une onde radio (émise par exemple par un satellite GPS), permet d'obtenir des informations sur l'attitude du véhicule spatial, si la direction incidente est connue dans un repère de référence.
