Capteurs optiques

Auteur: Gary Quinsac

Viseur d'étoile

Viseur d'étoiles ASTROP APS développé par l'agence spatiale nationale allemande DLT et la compagnie Jena-Optronik en Allemagne. Il est équipé d'une technologie de protection de radiation permettant de longues missions.

Crédit : ESA, Jena-Optronik

Les capteurs optiques fournissent l'orientation dans l'espace du repère du capteur, lui-même lié au repère du satellite, par rapport à des directions de références extérieures, telles que les étoiles, le Soleil et la Terre.

Capteurs stellaires

Un viseur d'étoiles ou capteur d'étoiles est un instrument optique qui repère les coordonnées d'une ou plusieurs étoiles et les compare ensuite aux éphémérides des étoiles enregistrées dans une bibliothèque inclue dans l'instrument. C'est l'instrument optique le plus précis (entre 1 et 10 secondes d'angle pour les plus performants). Il se compose d'un baffle afin d'éviter l'illumination par des éléments parasites tels que le Soleil, d'une partie optique chargée de collecter et focaliser la lumière sur un détecteur (CCD ou APS), d'une électronique de traitement du signal et d'un refroidisseur pour le détecteur. La matrice du détecteur est constituée de pixels qui permettent d'obtenir une image numérisée du champ de vue de l'instrument, chaque pixel étant repéré par ses coordonnées dans le repère lié au viseur stellaire. On détermine finalement la position d'une étoile en calculant le barycentre de l'énergie collectée sur les pixels éclairés. Les viseurs d'étoiles sont utilisés lorsqu'une connaissance fine de l'attitude est nécessaire. Ils ont besoin que la vitesse de rotation du véhicule soit contrôlée en amont afin de ne pas dépasser la vitesse de décrochage, vitesse au dessus de laquelle la lumière d'une étoile se trouve projetée sur de trop nombreux pixels durant la pose et ne permet plus la mesure.

Un capteur d'étoiles possède deux modes d'opération : le mode d'acquisition et le mode de suivi. Dans le premier, la position et la magnitude des objets brillants éclairant la matrice du détecteur sont comparées au catalogue d'étoiles afin de déterminer de façon grossière l'attitude du satellite sans information préalable. Une fois cette estimation de l'attitude intiale effectuée, le second mode permet le suivi sur la matrice des positions des étoiles identifiées. En sortie, un tel capteur est capable de fournir un quaternion d'attitude du repère capteur par rapport à un repère inertiel, tel que le repère J2000, et dans certains cas la vitesse de rotation du satellite.

Capteurs solaires

Les capteurs solaires permettent de déduire l'attitude du satellite de la mesure de l'angle d'incidence des rayons solaires sur le capteur. Ils sont classés en deux catégories : les capteurs analogiques et les capteurs digitaux. Dans les grosses missions satellitaires, ils permettent respectivement d'obtenir une précision de 1° à 0,1° et inférieure à 0,05°.

Les capteurs solaires analogiques sont les plus utilisés pour les CubeSats car ils sont fiables, passifs et peu coûteux. Leur faible précision, généralement de l'ordre de quelques degrés pour cette filière, est avant tout limitée par l'albédo terrestre. Sur de plus gros satellites, ils sont essentiellement utilisés pour les modes d'acquisition/survie. Ils se composent d'une ou plusieurs photo-diodes qui convertissent l'énergie reçue, fonction de l'inclinaison solaire, en courant électrique. Ce courant est proportionnel au cosinus de l'angle entre la normale au capteur et les rayons solaires. Ainsi, $I_j = I_{max} \left( \bold n_j \cdot \bold s \right)$ si $\bold n_j \cdot \bold s > 0$ et si $\bold n_j \cdot \bold s \leq 0$ , avec $\bold n_j$ le vecteur unité pointant vers la normale extérieure à la photocellule et $\bold s$ le vecteur unité allant du satellite au Soleil. Le champ de vue est un cône d'ouverture limitée.
Les capteurs solaires digitaux utilisent l'illumination de quelques pixels d'un capteur numérique CCD ou CMOS. L'ouverture est une fente étroite, et éventuellement la lumière solaire préalablement filtrée pour ne pas abîmer les capteurs trop sensibles. La position du ou des pixels éclairés permet de déterminer l'angle d'incidence du rayon de soleil. Le principe est généralisable à 2 axes. Ils sont généralement embarqués par des satellites n'ayant pas de capteur stellaire.

Capteurs terrestres

Les capteurs terrestres sont utilisés pour déterminer l'orientation du satellite par rapport à la Terre. Plus précisément, c'est l'horizon de la Terre qui est utilisé, car la Terre elle-même peut couvrir jusqu'à 40% de l'espace environnant pour un satellite en orbite passe. Néanmoins, il est difficile de détecter précisément la limite de l'horizon à cause de l'atmosphère terrestre (jusqu'à 70 km), de la décroissance graduelle de l'énergie réémise par la Terre, des variations entre les régions illuminées ou à l'ombre, et enfin de la limite de précision des capteurs. Le principe de détection adopté est donc basé sur une variation thermique de l'élément sensible dans la bande spectrale infra-rouge où la Terre est vue comme un disque uniforme : la bande d'absorption du CO₂ entre 14 et 16 μm. Ainsi, l'énergie émise par la Terre est plus homogène et l'horizon, précisément délimité, est visible de jour comme de nuit.

Ces capteurs peuvent être de deux types : les capteurs statiques, qui pointent dans une direction fixe, et les capteurs à balayage. Ils sont principalement utilisés sur des satellites en orbite basse et les satellites de télécommunication en orbite GEO ou MEO. Ils ont jusqu'à présent été assez peu utilisés sur CubeSats.