Conception d'un senseur stellaire pour une mission d'observation de la Terre - publié le 27/06/2010

Résumé du document

Le but de ce travail est de modéliser la correction d'attitude et les erreurs commises par le senseur stellaire d'un satellite d'imagerie en orbite basse autour de la Terre. Notre système est le satellite d'observation terrestre. Il doit répondre aux besoins de l'utilisateur en termes de prises de vues. Le satellite a plusieurs objectifs, divisés en deux sous-missions : assurer son bon fonctionnement en tant que satellite et répondre aux missions qu'on lui donne en tant que satellite d'observation.

En tant que satellite, il doit gérer sa mise à poste, gérer son maintien à poste, résister à son environnement, gérer sa fin de vie. En tant que satellite d'observation, il doit récupérer son plan de mission au sol, s'orienter par rapport à son plan de mission, effectuer la prise de vue, transmettre l'image au sol et gérer la confidentialité des données tout au long de la mission.

Lors de la phase opérationnelle qui nous intéresse plus particulièrement, il est nécessaire de fixer les limitations du système, les problèmes auxquels nous pourrions être confrontés.
- résolution de l'image lors de la prise de vue : nous avons une résolution au nadir de 0,7m ;
- le satellite ne passe pas partout, il suit son orbite et ne couvre pas tous les points au-dessus de la Terre. Cependant, il a un champ de vue de 20 km ;
- le satellite se déplace à vitesse constante (il est sur une orbite circulaire) et ne repasse exactement au dessus d'un même point que toutes les 24 h ;
- les prises de vues à travers les nuages sont impossibles ;
- les objets qui passent dans le champ du satellite lors de l'identification de sa position peuvent le perturber ;
- lorsque le satellite passe sur des zones non éclairées, il ne peut prendre de photos (phase d'éclipse) ;
- le satellite doit rester en alerte tout le temps et donc gérer son énergie pour pouvoir recevoir des ordres même lorsqu'il n'est pas éclairé par le soleil.

Lors des mesures, on se met volontairement à une certaine distance du plan focal image de manière à avoir une image d'une étoile floue, c'est-à-dire sur plusieurs pixels (principe de défocalisation). On pourra alors identifier le centre de l'étoile plus précisément. Cela se fera par un calcul barycentrique de la luminosité issue des photons incidents. La répercussion de ce floutage peut causer une erreur lors de la détection.

Extraits

[...] Erreurs de datation dues à la variation de l'attitude en fonction du temps : on délivre le vrai signal affecté d'un petit bruit de mesure avec un décalage en temps, un déphasage. Si le signal reçu est constant, ce déphasage n'a pas d'incidence. Si par contre c'est une pente, la pente obtenue est décalée d'un léger retard. Une vitesse constante va donner un biais constant puisque l'écart entre les deux courbes est constant. On modélise donc cette erreur par un dérivateur : l'erreur de datation est la dérivée du signal. [...]

[...] Présentation du système Satellite Contexte Notre système est le satellite d'observation terrestre. Il doit répondre aux besoins de l'utilisateur en termes de prises de vues. Le satellite a plusieurs objectifs, divisés en deux sous-missions : assurer son bon fonctionnement en tant que satellite et répondre aux missions qu'on lui donne en tant que satellite d'observation. En tant que satellite, il doit gérer sa mise à poste, gérer son maintient à poste, résister à son environnement, gérer sa fin de vie. [...]

[...] Δθ (rad) t Quaternion de consigne constante et obtenue, erreurs de senseur stellaire négligées c. Performances en mode ‘Lost in Space' et ‘Star Tracker' On peut associer les performances du satellite dans ces deux modes aux délais d'acquisition des attitudes consignes par le satellite. Ainsi, l'acquisition de l'attitude initiale du satellite, ainsi que des changements brusques dans l'attitude, correspondent à la simulation du mode ‘Lost In Space'. Les faibles changements d'attitude du satellite après cette phase initiale correspondent à la simulation du mode ‘Star Tracker' BE interdisciplinaire : Senseur stellaire Considérant le fonctionnement physique de ces deux modes, on s'attend à obtenir un délai de réponse du satellite plus long lors du mode ‘Lost In Space' que lors du mode ‘Star Tracker'. [...]

[...] Le métal se dilate avec la température, ce qui induit des micro-déplacements. Ces changements de température sont essentiellement dus à l'ensoleillement et ont donc pour période l'orbite du satellite. Sur Pleïades, pour une orbite de 1h30, il y a 30min d'éclipse pour 1h de jour. On observe des erreurs modélisées en sinus à la période orbitale de l'ordre de 2'' BE interdisciplinaire : Senseur stellaire g. Erreurs de vieillissement dues à une défaillance fonctionnelle causée par le vieillissement des matériaux. [...]

[...] Or, sur le graphique ci-dessous on lit sortie = 949,7062. L'écart provient d'un délai d'application du contrôleur, qui est égal à δT. Ce délai sera présent pour toutes les simulations, mais aura un impact moindre pour des entrées constantes. Sortie du contrôleur pour une entrée rampe entrée sinusoïdale (e=sin(ωt)) : On obtient bien une sortie sinusoïdale vérifiant la relation s = Kp*sin(ωt) + Kd*ω*cos(ωt) 20 BE interdisciplinaire : Senseur stellaire Sortie contrôleur pour une entrée sinusoïdale Validation dynamique Nous allons tout d'abord calculer Ω, car nous en aurons besoin pour calculer le quaternion de sortie. [...]