FR2742122A1 - Control system for orientation of satellite in low earth orbit - Google Patents

Abstract

The method provides control of the attitude of a satellite which is placed in an inclined low orbit about the equator, by holding a given axis lying in the body of the satellite in line with the terrestrial vertical. A solar generator (36) is held in a fixed orientation w.r.t. the satellite, and the body of the satellite is subject to a cyclical modification about the rotation axis (Zs) to reduce the loss of power from the solar generator w.r.t. an orientation which is orthogonal to the direction of the sun. The orientation of the body may be modified according to a sinusoidal variation operating at the period of the orbit. The amplitude is chosen so that the variation is as close as possible to the optimum conditions, determined by the least squares method. The speed of oscillation about the rotation axis is limited to a given value.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMMANDE D'ATTITUDE DE SATELLITE A GENERATEURS SOLAIRES
La présente invention concerne les satellites destinés à être placés en- orbite basse et soumis à une seule contrainte d'attitude au cours du fonctionnement, à savoir qu'un axe déterminé lié au satellite doit être orienté en permanence suivant la verticale terrestre.METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING ATTITUDE OF SATELLITE WITH SOLAR GENERATORS
The present invention relates to satellites intended to be placed in low orbit and subjected to a single attitude constraint during operation, namely that a determined axis linked to the satellite must be permanently oriented along the terrestrial vertical.

L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement de la charge utile d'un satellite est en règle générale fournie par des générateurs solaires constitués par un ou plusieurs panneaux déployables portant des cellules solaires, s'étendant dans une direction déterminée Ys par rapport au satellite. The electrical energy necessary for the operation of the payload of a satellite is generally supplied by solar generators constituted by one or more deployable panels carrying solar cells, extending in a determined direction Ys relative to the satellite.

Dans la plupart des cas, cette direction Ys est orthogonale à un axe Xs d'alignement avec le lanceur et un axe Zs qui doit être pointé vers la terre lorsque le satellite est sur une orbite circulaire et est alors confondu avec un axe de lacet Z dans un repère orbital. Ce cas est notamment celui des satellites dont la charge utile est constituée par des générateurs radioélectriques reliés à des antennes fixées au corps du satellite. In most cases, this direction Ys is orthogonal to an axis Xs of alignment with the launcher and an axis Zs which must be pointed towards the ground when the satellite is in a circular orbit and is then confused with a yaw axis Z in an orbital coordinate system. This case is notably that of satellites whose payload consists of radio generators connected to antennas fixed to the body of the satellite.

La figure 1 montre, à titre d'exemple, un tel satellite ayant un corps 34 portant des antennes 38 destinées à être pointées vers la terre et deux générateurs solaires 36. Xs,
Ys et Zs désignent respectivement la direction d'alignement avec le lanceur, l'axe suivant lequel s'étendent les panneaux constituant les générateurs solaires et la direction orthogonale aux deux précédentes, vers laquelle regardent les antennes 38.FIG. 1 shows, by way of example, such a satellite having a body 34 carrying antennas 38 intended to be pointed towards the earth and two solar generators 36. Xs,
Ys and Zs respectively designate the direction of alignment with the launcher, the axis along which the panels constituting the solar generators extend and the direction orthogonal to the previous two, towards which the antennas 38 look.

Un tel satellite contient des volants d'inertie dont la vitesse est commandable, de façon notamment à permettre de donner au moment cinétique interne du satellite une orientation quelconque par rapport au repère XsYsZs et de commander l'attitude du satellite par échange de moment cinétique avec le corps. Such a satellite contains flywheels whose speed is controllable, in particular so as to make it possible to give the internal angular momentum of the satellite any orientation relative to the reference frame XsYsZs and to control the attitude of the satellite by exchange of angular momentum with the body.

L'orientation d'un tel satellite est en règle générale commandée, lors des périodes de fonctionnement, de façon à maintenir l'axe Zs pointé vers la terre, c'est-à-dire selon la normale à l'orbite dans le plan de l'orbite dans le cas fréquent d'une orbite sensiblement circulaire. The orientation of such a satellite is generally controlled, during periods of operation, so as to maintain the axis Zs pointed towards the earth, that is to say according to the normal to the orbit in the plane orbit in the frequent case of a substantially circular orbit.

La puissance fournie par les générateurs solaires dépend de l'angle sous lequel ces générateurs voient le soleil. The power supplied by solar generators depends on the angle from which these generators see the sun.

Sauf sur des satellites en orbite polaire, cela conduit à l'heure actuelle à modifier périodiquement l'orientation des générateurs solaires autour d'au moins un axe, généralement l'axe Ys. Pour un satellite placé sur une orbite basse, donc dérivant par rapport à la terre, le maintien des générateurs solaires face au soleil avec une stabilisation trois axes du corps exige même de combiner une orientation des générateurs à une commande en lacet du corps, permanente ou par sauts périodiques espacés de quelques semaines.Except on satellites in polar orbit, this currently leads to periodically changing the orientation of solar generators around at least one axis, generally the Ys axis. For a satellite placed in a low orbit, therefore drifting relative to the earth, the maintenance of the solar generators facing the sun with a three-axis stabilization of the body even requires combining an orientation of the generators with a yaw control of the body, permanent or by periodic jumps spaced a few weeks apart.

L'orientation continue des générateurs solaires a des inconvénients. Elle provoque des interférences variables avec beaucoup de charges utiles. Elle oblige à recalculer périodiquement le centre de masse du satellite. Elle provoque des perturbations du moment d'inertie et du moment cinétique interne. The continuous orientation of solar generators has drawbacks. It causes variable interference with many payloads. It requires periodic recalculation of the center of mass of the satellite. It causes disturbances in the moment of inertia and the internal kinetic moment.

L'invention vise notamment à fournir un procédé de commande de satellite soumis uniquement à une contrainte d'orientation d'un axe lié au corps du satellite vers la terre, procédé permettant d'écarter ces inconvénients sans pour autant réduire de façon excessive la puissance moyenne fournie par les générateurs solaires. The invention aims in particular to provide a satellite control method subject only to an orientation constraint of an axis linked to the body of the satellite towards the earth, method making it possible to eliminate these drawbacks without however excessively reducing the power average supplied by solar generators.

Dans ce but, l'invention propose notamment un procédé de commande suivant lequel on maintient les générateurs solaires dans une orientation fixe par rapport au corps du satellite et on provoque une variation cyclique de l'orien- tation du corps du satellite autour de l'axe de lacet (par rapport à l'orbite) pour réduire la perte de puissance des générateurs solaires par rapport à une orientation qui resterait strictement orthogonale à la direction du soleil. To this end, the invention proposes in particular a control method according to which the solar generators are kept in a fixed orientation relative to the body of the satellite and a cyclic variation of the orientation of the body of the satellite is caused around the yaw axis (relative to the orbit) to reduce the loss of power of the solar generators compared to an orientation which would remain strictly orthogonal to the direction of the sun.

Le pilotage en lacet optimum du point de vue de la puissance fournie par les générateurs solaires impliquerait, pour certaines orbites, et notamment pour les orbites dont les noeuds sont proches de 0 et 12 h, des retournements brutaux autour de l'axe de lacet. Ces variations brutales sont incompatibles avec les caractéristiques des systèmes de commande d'attitude. Une solution avantageuse, bien que non exclusive, consiste à adopter une loi de variation sinusoidale à la période orbitale, avec une amplitude choisie pour chaque orbite de façon que la loi soit la plus proche de la loi optimale, au sens des moindres carrés des écarts. The optimum yaw control from the point of view of the power supplied by the solar generators would imply, for certain orbits, and in particular for the orbits whose nodes are close to 0 and 12 h, abrupt reversals around the yaw axis. These abrupt variations are incompatible with the characteristics of attitude control systems. An advantageous solution, although not exclusive, consists in adopting a law of sinusoidal variation at the orbital period, with an amplitude chosen for each orbit so that the law is closest to the optimal law, in the sense of least squares of the deviations .

L'approximation est d'autant meilleure que l'orbite est proche de celle ayant des noeuds à 6 h et 18 h. Mais le rendement utile reste proche de l'optimum dans tous les cas.The approximation is all the better as the orbit is close to that having nodes at 6 a.m. and 6 p.m. But the useful output remains close to the optimum in all cases.

Les résultats obtenus dépendent du calage angulaire qui est donné aux générateurs solaires autour de l'axe Ys. Dans la pratique, on constate que, pour beaucoup d'orbites basses faisant avec le plan équatorial terrestre un angle de 50 à 70 , un angle de 300 environ entre le plan des générateurs solaires et le plan orthogonal à l'axe Xs donne des résultats satisfaisants. The results obtained depend on the angular setting which is given to the solar generators around the axis Ys. In practice, we note that, for many low orbits making with the terrestrial equatorial plane an angle of 50 to 70, an angle of 300 approximately between the plane of the solar generators and the plane orthogonal to the axis Xs gives results satisfactory.

L'invention est applicable aussi bien à un satellite dépourvu de moteurs d'orientation des générateurs solaires autour de l'axe Ys qu'à ceux qui comportent un moteur permettant une telle orientation, par exemple pour amener les générateurs solaires, après déploiement de ces derniers, dans une orientation optimale. L'invention conserve en effet alors son intérêt, du fait qu'aucune modification ultérieure du calage n'est nécessaire. The invention is applicable both to a satellite devoid of motors for orienting the solar generators around the Ys axis and to those which include a motor allowing such orientation, for example for bringing the solar generators, after deployment of these last, in an optimal orientation. The invention therefore retains its interest, in that no subsequent modification of the setting is necessary.

L'invention propose également un dispositif de commande d'attitude permettant de mettre en oeuvre le procédé défini ci-dessus, par modification de la vitesse des volants d'inertie placés dans le corps du satellite et/ou par action sur les magnéto-coupleurs interférant avec le champ magnétique terrestre. The invention also proposes an attitude control device making it possible to implement the method defined above, by modification of the speed of the flywheels placed in the body of the satellite and / or by action on the magneto-couplers. interfering with the Earth's magnetic field.

Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1, déjà mentionnée, montre schématiquement la constitution d'un satellite auquel est applicable l'invention ;;
- la figure 2 est un schéma destiné à faire apparaître les paramètres de l'orbite qui interviennent dans la mise en oeuvre de l'invention
- les figures 3 et 4 montrent respectivement la variation de l'angle d'aspect solaire et de l'efficacité des générateurs solaires, en fonction de l'heure locale, d'un satellite du type montré en figure 2, placé sur une orbite midi-minuit
- la figure 5 montre la variation d'efficacité des générateurs solaires sur l'orbite pour la même heure locale du noeud ascendant que dans le cas de la figure 5, avec différents calages angulaires des générateurs solaires
- la figure 6 montre la variation de l'angle optimal de pilotage en lacet d'un satellite, en fonction de la position sur l'orbite, pour différentes heures locales du noeud ascendant ; et
- la figure 7 montre une approximation possible.The above characteristics as well as others will appear more clearly on reading the following description of a particular embodiment, given by way of nonlimiting example. The description refers to the accompanying drawings, in which
- Figure 1, already mentioned, schematically shows the constitution of a satellite to which the invention is applicable;
- Figure 2 is a diagram intended to show the parameters of the orbit involved in the implementation of the invention
- Figures 3 and 4 respectively show the variation of the angle of solar aspect and the efficiency of the solar generators, as a function of local time, of a satellite of the type shown in Figure 2, placed in an orbit midday midnight
- Figure 5 shows the variation of efficiency of the solar generators on the orbit for the same local time of the ascending node as in the case of Figure 5, with different angular settings of the solar generators
- Figure 6 shows the variation of the optimal yaw steering angle of a satellite, depending on the position on the orbit, for different local times of the ascending node; and
- Figure 7 shows a possible approximation.

Avant de décrire l'invention, on rappellera, en faisant référence à la figure 2, les notations habituelles qui seront utilisées par la suite
X : projection de la direction du soleil sur le plan
équatorial terrestre XY,
e : élévation solaire (angle entre la direction
solaire et X),
i : inclinaison de l'orbite sur le plan équatorial
terrestre,
H : heure locale du noeud ascendant de l'orbite,
compté à partir de X,
PSO : position angulaire du satellite sur son orbite,
mesurée à partir de H,
a : altitude du satellite.Before describing the invention, it will be recalled, with reference to FIG. 2, the usual notations which will be used subsequently
X: projection of the direction of the sun on the plane
equatorial terrestrial XY,
e: solar elevation (angle between direction
solar and X),
i: inclination of the orbit on the equatorial plane
earthly,
H: local time of the ascending node of the orbit,
counted from X,
PSO: angular position of the satellite in its orbit,
measured from H,
a: satellite altitude.

On fera surtout référence par la suite à un satellite pour lequel i = 660 et a = 1335 km, pour lequel e varie, selon la saison de e = - 23,50 en hiver à + 23,50 en été. We will mainly refer later to a satellite for which i = 660 and a = 1335 km, for which e varies, depending on the season from e = - 23.50 in winter to + 23.50 in summer.

L'heure locale du noeud ascendant H dérive de 30 par jour et
PSO varie de 3600 par période de 112 mn.The local time of the ascending node H derives from 30 per day and
PSO varies from 3600 per 112 min period.

On supposera par la suite que l'axe de lacet Zs du satellite doit rester pointé suivant la verticale locale. On considèrera également, par convention, que cette orientation correspond à des angles de consigne nuls en roulis et en tangage. It will subsequently be assumed that the yaw axis Zs of the satellite must remain pointed along the local vertical. It will also be considered, by convention, that this orientation corresponds to zero set angles in roll and in pitch.

Pour de telles caractéristiques, on montrera par la suite que l'angle optimum o de calage des générateurs solaires par rapport au plan YsZs est d'environ 300, les cellules solaires étant placées sur la face orientée suivant la direction - Xs. For such characteristics, it will be shown below that the optimum angle o of setting the solar generators with respect to the plane YsZs is approximately 300, the solar cells being placed on the face oriented in the direction - Xs.

Sur un tel satellite, le pilotage s'effectuera en pointant la direction - Xs le plus possible vers le soleil, tout en conservant l'axe Ys pointé vers la terre. On such a satellite, the control will be carried out by pointing the direction - Xs as much as possible towards the sun, while keeping the axis Ys pointed towards the earth.

Le cas le plus défavorable est celui d'une orbite ayant des noeuds à 0 h et 12 h, car c'est alors que la durée des éclipses est maximale. Dans ce cas le pointage optimal, avec o = 300, se traduit par la variation de l'angle entre normale au générateur et direction du soleil (aspect solaire) montrée en figure 3 et par la variation corrélative de l'efficacité des générateurs (proportionnelle au cosinus de langue) montrée en figure 4. Sur ces figures, les zones hachurées correspondent aux périodes d'éclipse. The most unfavorable case is that of an orbit having knots at 0 h and 12 h, because it is then that the duration of the eclipses is maximum. In this case the optimal pointing, with o = 300, results in the variation of the angle between normal to the generator and direction of the sun (solar aspect) shown in figure 3 and by the correlative variation of the efficiency of the generators (proportional at the language cosine) shown in Figure 4. In these figures, the hatched areas correspond to the eclipse periods.

On constate que le pilotage conduit, grâce au calage à 300 des générateurs, à faire passer ces derniers en face du soleil deux fois sur la demi-orbite éclairée et à obtenir une aire maximale sous les courbes de variation de la figure 4, c'est-à-dire une énergie délivrée maximale. It is noted that the piloting leads, thanks to the setting to 300 of the generators, to make them pass in front of the sun twice on the lit half-orbit and to obtain a maximum area under the variation curves of figure 4, c ' that is to say a maximum delivered energy.

L'efficacité moyenne est de 56 %, c'est-à-dire proche de l'efficacité maximale de 69 % qui serait obtenue avec un générateur solaire pointé en permanence vers le soleil, par exemple grâce à un générateur solaire orienté en permanence par un moteur, avec pilotage en lacet du corps du satellite, ou même avec un générateur orienté suivant deux axes. La figure 3 montre que des calages 0 autres que 300 donnent des résultats moins favorables.The average efficiency is 56%, i.e. close to the maximum efficiency of 69% which would be obtained with a solar generator permanently aimed at the sun, for example thanks to a solar generator permanently oriented by an engine, with yaw control of the satellite body, or even with a generator oriented along two axes. Figure 3 shows that calibrations 0 other than 300 give less favorable results.

L'angle de consigne en lacet permettant de réaliser le pointage optimal varie en fonction de la position sur orbite du satellite. La courbe de variation de cet angle en fonction de la position sur orbite diffère selon l'heure locale du noeud ascendant, comme le fait apparaître la figure 6. L'angle de consigne évolue dans le temps à la période orbitale, mais sa forme évolue depuis deux segments de droite discontinus aux orbites midi-minuit (courbe A) vers une sinusoïde pour les orbites proches de 6 h-18 h (courbe B), cette dernière variation pouvant se limiter à une constante au solstice d'hiver. The yaw setpoint angle used to achieve the optimal pointing varies according to the position in orbit of the satellite. The curve of variation of this angle as a function of the position in orbit differs according to the local time of the ascending node, as shown in Figure 6. The setpoint angle changes over time during the orbital period, but its shape changes from two discontinuous straight line segments at midday-midnight orbits (curve A) towards a sinusoid for orbits close to 6 a.m. - 6 p.m. (curve B), the latter variation being limited to a constant at the winter solstice.

Dans tous les cas, le pilotage en lacet permet aux cellules solaires de voir le soleil à tout instant en dehors des éclipses. Même sur l'orbite midi-minuit, qui constitue le pire cas pour l'éclairement, les générateurs solaires sont face au soleil une fois par quart d'orbite éclairé. In all cases, yaw control allows the solar cells to see the sun at all times outside the eclipses. Even on the midday-midnight orbit, which is the worst case for lighting, solar generators are facing the sun once per quarter of lit orbit.

Le strict respect de la loi de variation illustrée en figure 6 est impossible lorsqu'vil imposerait un retournement brutal en lacet (courbe A). Une première solution consiste à limiter simplement la vitesse de basculement en lacet, et à amorcer le mouvement avant d'arriver à la PSO où il serait nécessaire. Une solution plus simple consiste à donner au corps du satellite un mouvement en lacet qui est sinusoidal. Strict compliance with the law of variation illustrated in Figure 6 is impossible when it requires a sudden yaw turn (curve A). A first solution consists in simply limiting the speed of tilting in yaw, and initiating the movement before arriving at the PSO where it would be necessary. A simpler solution consists in giving the body of the satellite a yaw movement which is sinusoidal.

Pour chaque orbite, l'amplitude du mouvement sinusoldal est définie de façon à correspondre au mieux à la courbe optimale du point de vue de l'éclairement. Pratiquement, on peut utiliser une sinusoide de consigne dont l'amplitude est telle que la sinusoide soit la plus proche possible de la courbe théorique, au sens de la somme des moindres carrés des écarts. La figure 7 montre, en traits pleins, la loi de variation qui pourra être adoptée pour simuler la loi théorique, montrée en tirets dans le cas d'une orbite midiminuit, c'est-à-dire dans le pire cas. L'efficacité solaire est peu dégradée, même dans ce cas, puisqu'elle passe simplement de 56 % à 52 t. For each orbit, the amplitude of the sinusoidal movement is defined so as to best correspond to the optimal curve from the point of view of illumination. In practice, it is possible to use a set sinusoid whose amplitude is such that the sinusoid is as close as possible to the theoretical curve, in the sense of the sum of the least squares of the deviations. FIG. 7 shows, in solid lines, the law of variation which can be adopted to simulate the theoretical law, shown in dashes in the case of a mid-reduced orbit, that is to say in the worst case. The solar efficiency is little degraded, even in this case, since it simply goes from 56% to 52 t.

La commande en lacet pourra être réalisée en utilisant soit des magnéto-coupleurs, soit une commande de vitesse des volants. La mesure d'attitude du satellite peut s'effectuer en utilisant les capteurs dont est habituellement muni un satellite, et notamment un capteur solaire qui peut être grossier.  The yaw control can be performed using either magneto-couplers or a steering wheel speed control. The attitude measurement of the satellite can be carried out using the sensors with which a satellite is usually fitted, and in particular a solar sensor which can be coarse.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'attitude d'un satellite placé en orbite basse inclinée sur l'équateur, en maintenant un axe déterminé lié au corps du satellite suivant la verticale terrestre, 1. Method for controlling the attitude of a satellite placed in low orbit inclined to the equator, maintaining a determined axis linked to the body of the satellite along the terrestrial vertical caractérisé en ce qu'on maintient un générateur solaire (36) dans une orientation fixe par rapport au corps du satellite et on donne à l'orientation du corps du satellite une modification cyclique autour de l'axe de lacet (Zs) pour réduire la perte de puissance du générateur solaire par rapport à une orientation orthogonale à la direction du soleil. characterized in that a solar generator (36) is maintained in a fixed orientation relative to the body of the satellite and the orientation of the body of the satellite is given a cyclic change around the yaw axis (Zs) to reduce the loss of power of the solar generator compared to an orientation orthogonal to the direction of the sun. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on modifie l'orientation du corps suivant une loi de variation sinusoidale à la période orbitale, avec une amplitude choisie pour que la loi soit la plus proche de la loi optimale, au sens des moindres carrés des écarts. 2. Method according to claim 1, characterized in that the orientation of the body is modified according to a law of sinusoidal variation at the orbital period, with an amplitude chosen so that the law is closest to the optimal law, in the sense least squares of the deviations. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on limite la vitesse de basculement en lacet à une valeur déterminée. 3. Method according to claim 1, characterized in that the speed of yaw tilting is limited to a determined value. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, le satellite étant sur une orbite faisant avec le plan équatorial terrestre un angle de 50 à 700, on donne à l'angle entre le plan des générateurs solaires et le plan passant par l'axe de lacet et la direction dans laquelle s'étend le générateur une valeur de 300 environ. 4. Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that, the satellite being in an orbit making with the terrestrial equatorial plane an angle of 50 to 700, the angle between the plane of the solar generators and the plane passing through the yaw axis and the direction in which the generator extends a value of approximately 300. 5. Satellite permettant de mettre en oeuvre le procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de moteurs d'orientation de générateurs solaires, et comporte des moyens de pilotage en lacet permettant de provoquer une variation cyclique de l'orientation du corps du satellite autour de l'axe de lacet, par rapport à l'orbite, pour réduire la perte de puissance des générateurs solaires, en laissant un axe déterminé lié au satellite pointé vers la terre.  5. Satellite making it possible to implement the method according to claim 1, characterized in that it does not have orientation motors for solar generators, and comprises yaw control means making it possible to cause a cyclic variation of the orientation of the body of the satellite around the yaw axis, with respect to the orbit, to reduce the loss of power of the solar generators, by leaving a determined axis linked to the satellite pointed towards the earth.