Systèmes de coordonnées spatiaux

Auteur: Gary Quinsac

Dans le cadre de l'analyse de l'attitude et de l'orbite d'un satellite, certains référentiels sont particulièrement utilisés. Les plus importants d'entre eux sont présentés dans cette partie.

Appliquette interactive

Une appliquette interactive est disponible ici. Elle permet de visualiser dans l'espace une partie des repères spatiaux qui vous sont présentés dans cette partie.

Référentiel héliocentrique

Le référentiel de Kepler (ou référentiel héliocentrique) est le référentiel centré sur le centre de masse du Soleil et dont les axes pointent vers des étoiles fixes. Ce référentiel inertiel est utilisé pour les missions interplanétaires. Ces étoiles sont suffisamment lointaines pour qu'elles apparaissent fixes aux échelles de temps considérées.

Le repère HSEa (pour "heliocentric solar ecliptic inertial") est un exemple de repère héliocentrique. Son axe X pointe vers le point vernal, Z vers le pôle nord écliptique et Y complète le trièdre.

Référentiel géocentrique (ECI)

Le référentiel géocentrique ("Earth Centered Inertial"ou ECI en anglais) est un référentiel dont l'origine est le centre de la Terre et dont les trois axes pointent également vers des étoiles fixes. L'origine du système se situe au centre géométrique de la Terre, l'axe Z est aligné avec le pôle nord, l'axe X pointe vers le point vernal et l'axe Y complète le trièdre. D'autres systèmes de ce type existent, définis par rapport à d'autres directions. La bonne connaissance de la position des étoiles permet de déterminer l'orientation du satellite dans ce référentiel par observation de ces étoiles.

Parmi ces référentiels, on peut citer J2000 GCI (pour "geocentric inertial"). Son axe Z est aligné avec le pôle nord, l'axe X pointe vers le point vernal au 1er janvier 2000 et l'axe Y complète le trièdre. Ce repère est équatorial.

Point vernal "vrai"

Le point vernal "vrai" se déplace chaque année en raison de la précession des équinoxes (mouvement de l'axe de rotation de la Terre) et du lent déplacement des étoiles. De ce fait on définit un point vernal fixe conventionnel (celui du 1^er janvier 2000 pour le repère J2000).

Référentiel terrestre (ECEF)

Le référentiel terrestre ("Earth-Centered, Earth-Fixed" ou ECEF en anglais) est un référentiel centré sur le centre de masse de la Terre et dont les trois axes sont liés au globe terrestre. Ce référentiel est en mouvement de rotation pure dans le référentiel géocentrique. L'axe vecteur(Z) coïncide avec l'axe de rotation de la Terre et les axes vecteur(X) et vecteur(Y) sont fixés par rapport à la Terre.

Remarque

Le référentiel géocentrique se distingue du référentiel terrestre, dont l'origine est prise au centre de la Terre, mais dont les axes sont attachés au globe terrestre. Il est également différent du référentiel héliocentrique, dont les axes pointent vers des étoiles lointaines mais dont l'origine est prise au centre du Soleil. Ainsi, le référentiel terrestre est en rotation dans le référentiel géocentrique, lui-même en translation circulaire dans le référentiel héliocentrique. La position et l'orientation d'un satellite par rapport à un tel système doivent être connues afin de maintenir une communication avec le sol ou de réaliser de la détection terrestre.

Repère orbital

Les repères orbitaux sont liés à l'orbite du satellite et à sa position sur cette orbite. Ils tournent à mesure que le satellite orbite autour de la Terre afin qu'un axe pointe dans une direction particulière, tandis que les deux autres sont normaux. On peut citer différents repères orbitaux. Généralement, l'axe vecteur(Z) pointe vers le nadir et l'axe vecteur(Y) est normal au plan orbital.

Pour les satellites pointant la terre, l'orientation/vitesse angulaire du corps du satellite est définie par rapport à un repère fixé sur l'orbite.

Pour les satellites poitant la Terre il est utile de définir un repère par rapport à la géocentrique (droite passant par le centre de la Terre et le centre de masse du satellite). Le repère LVLH, pour "Local-Vertical/Local-Horizontal", est un repère très utilisé. Son axe est ainsi aligné avec le nadir, son axe pointe le long de l'inverse du moment cinétique orbital. L'axe vient compléter le trièdre.
On définit également souvent un repère orbital se référant au vecteur vitesse du satellite. Par exemple, est parallèle au vecteur vitesse du satellite, est le vecteur normal à la trajectoire à la position du satellite dans le plan de l'orbite et orienté vers le centre de la Terre, et est parallèle et de même sens que le moment cinétique orbital.

Référentiel satellite

Le référentiel du satellite est défini par le corps du satellite. On a l'habitude de définir le repère satellite avec l'orientation d'un élément de navigation essentiel comprenant les capteurs d'attitude les plus critiques et les instruments de la charge utile. Le SCA utilise une combinaison de capteurs et d'actionneurs pour maintenir l'orientation et la vitesse angulaire du référentiel du satellite par rapport à un repère extérieur de référence. Celui-ci dépend généralement du type de pointage requis par la mission (inertiel, solaire, nadir etc).

On peut décrire l'orientation du satellite par rapport au référentiel orbital avec une séquence d'Euler de roulis, tangage et lacet (détaillée ici), respectivement autour des axes , et .

Repère instruments

Un repère instrument est aligné suivant les directions caractéristiques de l'instrument. Ces repères sont définis par rapport au repère satellite ou par rapport à un repère secondaire, lui-même défini par rapport au repère satellite. L'alignement entre les différents référentiels est mesuré sur le sol mais peut évoluer pendant le lancement, mais également à cause du changement de gravité et des distorsions thermiques. Un instrument peut d'ailleurs être positionné sur un bras articulé (cela se rencontre surtout sur les sondes planétaires). La connaissance précise de l'attitude nécessite un étalonnage en vol de ces changements d'alignement et distorsions. Les données et les commandes de la charge utile et des capteurs sont paramétrées par rapport aux systèmes de coordonnées locaux.