Contrôle d'attitude

Le système de contrôle d'attitude est un des composants d'un vaisseau spatial : satellite artificiel, sonde spatiale, station spatiale ou vaisseau spatial habité. Son rôle est de contrôler l'orientation de l'engin spatial, des instruments et des panneaux solaires de manière à ce qu'elle soit conforme aux besoins de la mission. Le système de contrôle d'attitude est composé de plusieurs capteurs (pour déterminer sa position), actionneurs (pour modifier l'orientation) et d'un logiciel. Différentes technologies sont utilisées. Sur un satellite artificiel, le contrôle d'attitude fait partie de la plate-forme d'un satellite artificiel.

Définition

Le système de contrôle d'attitude désigne l'ensemble des équipements et algorithmes mis en œuvre de manière autonome sur un vaisseau spatial : satellite artificiel, sonde spatiale, station spatiale ou vaisseau spatial habité afin de lui permettre de contrôler précisément son attitude, c'est-à-dire son orientation dans l'espace autour de son centre de gravité. Le contrôle d'attitude se distingue du contrôle d'orbite qui consiste à commander la position (et ses dérivées) du centre de gravité de l'engin spatial dans l'espace. Néanmoins, le contrôle d'attitude et d'orbite sont souvent étroitement liés et un satellite artificiel est généralement doté d'un « système de commande d'attitude et d'orbite » (SCAO).

Le contrôle d'attitude, de par la diversité et la complexité des disciplines de l'ingénierie 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, la physique, l'automatique et bien sûr aux mathématiques (algèbre principalement).

Objectif

Le contrôle d'attitude assure deux fonctions essentielles :

1. Il contribue à la survie de l'engin spatial :

   Un engin spatial doit en effet être en permanence capable d'orienter ses panneaux solaires vers le soleil 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, le satellite n'est plus qu'une masse inerte incapable d'assurer sa mission.

2. Dans le cas d'un satellite artificiel il contribue à la performance du satellite.

   Du fait de la distance généralement grande entre un satellite et la terre, celui-ci doit être capable de pointer sa charge utile (antenne, télescope, ...) de manière très précise vers des zones géographiques données. Par ex : pour un satellite de télécommunications, 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 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 Terre et surtout le Soleil pour les satellites en orbite terrestre)
• des tuyères : lors des manœuvres de contrôle d'orbite, il est absolument nécessaire d'orienter convenablement le système propulsif.
• du sous-système de contrôle thermique : 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 contrôler l'orientation, le SCA est amené à orienter des éléments amovibles (panneaux solaires, plate-forme d'instruments...).

Contrôle d'attitude des satellites artificiels

Il existe deux catégories de contrôle d'attitude : le contrôle actif et le contrôle passif. Le contrôle passif possède les avantages d'être robuste, bon marché, simple et ne consommant pas de puissance. Cela a cependant une précision de pointage limité et ne permet pas d'obtenir toutes les attitudes. Le pointage actif est donc utilisé dans la plupart des satellites de taille importante^[1].

Concernant le contrôle passif, il existe deux types de contrôle passif : le gradient de gravité et la stabilisation magnétique. Le gradient de gravité utilise l'asymétrie du satellite et le champ de gravité alors que la stabilisation magnétique utilise un aimant pour aligner le satellite sur le champ magnétique terrestre.

Concernant le contrôle actif, on distingue deux grandes méthodes de contrôle:

• 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 rapidement une bande au sol (par exemple pour un satellite météo), d’étudier l'espace environnant dans de multiples directions (par exemple pour un satellite scientifique analysant le plasma de la ionosphère), ou bien de balayer l’ensemble de la voûte céleste (comme par exemple le satellite Planck, ou le futur Gaia).
• 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, 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 au satellite :

• Équipement : roue de réaction
• Principe : un moteur 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 exercé par la roue sur le satellite, qui met en rotation le satellite sur le même axe mais dans un sens opposé.
• Conséquence : conservation du moment cinétique total 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 et par là de conférer une agilité supérieure au satellite.

Action/Réaction avec l'extérieur du satellite :

• Équipement : tuyères
• Principe : le même que celui d'un avion à réaction : des particules sont éjectées de tuyères suivant une direction donnée.
• Action : force 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 pour appliquer un couple externe au satellite et modifier ainsi le moment cinétique global du satellite.

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

Tête optique de capteur stellaire

Tête optique de capteur de Terre

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.

Voir aussi

• Reaction Control System
• Module de service
• Attitude d'un satellite

Références

• Portail de l’astronautique