La commande d’attitude (ou « contrôle d’attitude », locution calquée sur l’anglais attitude controlL'Académie de l'air et de l'espace (AAE) et le CNES privilégient systématiquement l'expression commande d'attitude. Dans le vocabulaire technique français, commande se rapporte à une action dynamique de régulation, alors que contrôle renvoie à des fonctions de vérification passive. Cette recommandation s'inscrit dans une politique plus large de préservation de la précision terminologique du français spatial. Dans les collaborations internationales (ex. : projets ESA/NASA), l'anglicisme contrôle persiste parfois par harmonisation terminologique. — AAE, Terminologie spatiale francophone (2005) ; AAE, Lexique franglais-français des termes aéronautiques courants et Recueil de barbarismes usuels (2017), entrée « control » ; CNES, Dictionnaire du spatial (2017), entrée « SCAO » ; https://www.legifrance.gouv.fr/loda/id/JORFTEXT000000187248, entrée « commande d'attitude ».) est soit l'action d'imposer l'attitude voulue à un engin aérospatial, soit le dispositif permettant cette action. Cette commande déclenche le processus d'ajustement de l'attitude (c'est-à-dire l’orientation dans l’espace) d’un aéronef, missile ou véhicule spatial (satellite artificiel, sonde spatiale, station spatiale ou lanceur). Cet ajustement est indispensable à l'accomplissement d'une mission. Même dans le vide spatial, un engin subit des perturbations (pression de radiation, gradient de gravité, effets inertiels ou interactions magnétiques) qui tendent à modifier son orientation. Pour compenser ces effets, le système de commande d'attitude comprend trois éléments clés : des capteurs (gyroscopes, capteurs stellaires, magnétomètres…) pour mesurer son orientation ; un algorithme de contrôle d’attitude pour comparer l’état mesuré à l'orientation souhaitée ; et des actionneurs (roues de réaction, propulseurs, magnétocoupleurs…) pour appliquer les corrections.
Les techniques de commande d'attitude varient en fonction de la mission et du milieu dans lequel évolue l’engin (atmosphère terrestre, orbite basse ou haute, espace interplanétaire, etc.). On distingue : les méthodes passives, comme la stabilisation par rotation (spinnage) autour de l’axe principal, par gradient gravitationnel ou par magnétocoupleur ; et les méthodes actives, où l’attitude est commandée dynamiquement au moyen d'actionneurs (roues de réaction, propulseurs…).
Définition Le système de commande d’attitude (SCA) est l’ensemble des équipements et algorithmes opérant en boucle fermée à bord d’un engin aérospatial (aéronef, missile ou véhicule spatial). Il maintient ou corrige l’attitude de l’engin, c’est-à-dire son orientation dans l’espace autour de son centre de gravité (roulis, tangage, lacet). Cette orientation se définit par sa position angulaire et sa vitesse angulaire dans un référentiel inertiel, généralement céleste.
Dans le domaine spatial, la commande d’attitude se distingue conceptuellement de la commande d’orbite, qui vise à modifier ou à maintenir une orbite ou la trajectoire interplanétaire du véhicule. Néanmoins, ces deux fonctions sont étroitement liées et sont généralement intégrées au sein d’un système de commande d’attitude et d’orbite (SCAO), qui coordonne l’ensemble des dispositifs nécessaires à la navigation spatiale autonome.
Contrairement à l’attitude (mesurée par des capteurs embarqués), la restitution d’orbite repose traditionnellement sur des mesures effectuées par les stations terriennes ou par des systèmes satellitaires (GPS), bien que certaines missions utilisent une navigation optique autonome (repères stellaires ou planétaires).
Ce qui suit traite plus particulièrement des engins spatiaux (lanceur spatial, satellite, sonde spatiale).
Objectifs
La commande d’attitude assure deux fonctions essentielles.
Contribuer à la survie du véhicule spatial Un véhicule spatial doit maintenir en permanence l'orientation de ses panneaux solaires vers le Soleil durant les phases d'éclairement pour recharger ses accumulateurs. Cette opération repose sur des capteurs solaires qui mesurent en temps réel la direction du Soleil par rapport au satellite. Si la tension des accumulateurs descend en dessous d'un seuil critique (typiquement par cellule pour les batteries Li-ion), ceux-ci subissent une décharge profonde irréversible qui prive l'engin de toute alimentation électrique..
Cette interruption entraîne simultanément :
la perte de régulation thermique : les composants sensibles (notamment les accumulateurs, dont la plage opérationnelle se situe généralement entre et ) subissent alors des dommages irréversibles ; la perturbation de l'équilibre thermique : l'orientation conditionne l'efficacité des radiateurs (recouverts de peinture blanche d'émissivité supérieure à 0,9), qui doivent impérativement rester à l'ombre pour évacuer la chaleur produite par l'électronique de bord.
Pour les manœuvres orbitales, le système de commande d'attitude et d'orbite (SCAO) doit :
orienter précisément (à 0,1° de précision au plus) la poussée des moteurs selon le vecteur souhaité ; compenser en temps réel tout déséquilibre de poussée.
Enfin, la protection des instruments sensibles (comme les télescopes) exige le respect strict d'angles d'exclusion solaire (par exemple 50° pour Hubble) pour éviter toute exposition accidentelle aux rayonnements directs.
Permettre l'accomplissement des objectifs de mission Une grande majorité des engins spatiaux (satellites de télécommunications, sondes interplanétaires, satellites d’observation de la Terre, satellites militaires, télescopes spatiaux) doivent pouvoir pointer leur charge utile avec une grande précision vers une cible définie.
À titre d’exemple, un satellite de télécommunications placé en orbite géostationnaire, soit à environ d’altitude, encourt une erreur de pointage au sol de pour un écart d’orientation de seulement 0,1°. La précision du système de commande d’attitude est donc décisive pour la qualité du service rendu.
Forces perturbant l'attitude d'un engin spatial
Il est nécessaire de réguler en permanence l'attitude d'un engin spatial, car même dans l'espace interplanétaire loin de toute planète, celui-ci subit des perturbations qui modifient son orientation. L'importance de ces perturbations dépend, dans certains cas, du type d'orbite de l'engin spatial. : le gradient gravitationnel (ou couple de gradient de gravité) décrit la force légèrement plus intense exercée sur la partie de l'engin la plus proche de la planète que sur la partie éloignée. Cette différence crée un couple perturbateur qui tend à aligner l'axe principal du satellite selon la verticale locale ; le champ magnétique ambiant, en particulier le champ magnétique terrestre, interagit avec les matériaux ferromagnétiques ou les boucles de courant présentes dans le satellite. Ces interactions peuvent générer des couples perturbateurs non négligeables ; la traînée atmosphérique, dans le cas des satellites en orbite terrestre basse, résulte de la présence résiduelle d’une atmosphère ténue. Elle exerce une force asymétrique sur l’engin, surtout si sa géométrie n’est pas parfaitement symétrique par rapport à son axe de déplacement. Cela produit un couple de perturbation ; la pression de radiation solaire, c’est-à-dire la poussée exercée par les photons issus du rayonnement solaire, induit une force dont l’incidence sur l’engin dépend de sa forme et de son orientation. Cette force agit souvent de manière dissymétrique par rapport au centre de gravité ; le rayonnement radiofréquence des satellites de télécommunications peut produire un couple perturbateur significatif ; les asymétries de poussée, lorsque des propulseurs sont mis en action, produisent des couples indésirables si la distribution de poussée n’est pas équilibrée ; l'attitude d'un engin spatial est également perturbée par des mouvements internes : déploiement des panneaux solaires ou d'antennes, ballotement des ergols dans les réservoirs, mouvement du miroir de la caméra d'un satellite d'observation de la Terre, déplacements de l’équipage à bord d’un vaisseau habité
+Ordre de grandeur des couples perturbateurs Type de perturbation Satellite en orbite géostationnaire Satellite en orbite terrestre basseIrrégularité du champ de gravité Négligeable 10-3NmPression aérodynamique Négligeable 10-4Nm Couple magnétique 10-6Nm 10-3Nm Pression de radiation solaire 10-6 à 10-4Nm 10-4Nm Couple radio-fréquence 10-6Nm N/A Mauvais alignement des tuyères (manœuvre de contrôle d'orbite) 10-2 à 10-1Nm N/A Mauvais alignement du moteur d'apogée (manœuvre de mise à poste) Quelques Nm N/A Déplacement d'équipements 10-2Nm 10-1Nm à quelques Nm
Méthodes de commande d’attitude des engins spatiaux
Il existe deux grandes catégories de méthodes de commande d'attitude des engins spatiaux : la commande passive, plus simple mais limitée, et la commande active, qui domine dans les missions exigeant une précision élevée.
Commande d’attitude passive
La commande passive présente plusieurs avantages : robustesse, simplicité, coût réduit et absence de consommation électrique. En contrepartie, elle offre une précision de pointage restreinte (typiquement 0,5° à 5°) et ne convient pas à tous les profils de mission. C'est pourquoi la majorité des satellites de moyenne ou grande taille recourent à une commande active..
Deux méthodes principales de stabilisation passive sont utilisées : la stabilisation par gradient de gravité exploite l’asymétrie de l’engin spatial et le fait que l’intensité du champ gravitationnel décroît avec l’altitude. Ce déséquilibre de force entre les extrémités de l’engin tend à l’aligner selon l’axe radial (du centre de la Terre vers le satellite), ce qui crée un couple naturel stabilisant. ; la stabilisation par giration consiste à faire tourner l’engin spatial autour d’un de ses axes, en général celui de plus grande inertie. Ce mouvement de rotation induit un effet de stabilisation gyroscopique qui maintient l’orientation de l’axe de spin. Cette technique est utile pour balayer rapidement une bande à la surface terrestre ( satellites météorologiques comme TIROS), pour l'analyse spatiale multidirectionnelle ( satellites scientifiques analysant le plasma de l’ionosphère) ou encore pour certaines missions d'astronomie ( missions Planck)..
Commande d’attitude active
La commande active permet de maîtriser l’orientation d’un engin spatial en réponse à des besoins de pointage très précis (jusqu'à 0,001°), de reconfiguration rapide ou de compensation de perturbations dynamiques. Deux principales architectures sont mises en œuvre :
la stabilisation sur trois axes actifs. Celle-ci utilise un actionneur par axe contrôlé de l'engin spatial. Les actionneurs peuvent être des roues de réaction, des actionneurs gyroscopiques .La plupart des satellites d'observation et des sondes spatiales utilisent ce type de méthode. Sur les véhicules évoluant en basse orbite, les magnéto-coupleurs peuvent être utilisés lorsque les autres actionneurs sont indisponibles. ; le système à moment cinétique embarqué. L'engin spatial embarque une seule roue montée sur l'axe tangage du satellite. Celle-ci est maintenue à vitesse constante pour fournir une raideur gyroscopique sur deux axes comme si le satellite était spinné. Cette méthode est utilisée par certains satellites de télécommunications en orbite géostationnaire avec un moment cinétique embarqué sur l'axe nord/sud..
Il existe également des véhicules dits "dual-spin" qui combinent les deux techniques : ils comprennent un sous ensemble stabilisé sur les trois axes et un deuxième sous-ensemble stabilisé par rotation. C'était par exemple le cas de la sonde spatiale Galileo dont la plateforme était stabilisée par rotation, tandis que les instruments de télédétection (caméras, spectromètres...) étaient stabilisés pour pouvoir être pointés vers les corps célestes survolés.