Validation expérimentale d’un système de pointage de grande précision

Experimental validation of a high accuracy pointing system

• Auteur / Autrice : Francesco Sanfedino
• Direction : Valérie Pommier-Budinger, Daniel Alazard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 25/04/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'accueil doctoral Commande des systèmes et dynamique du vol (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département conception et conduite des véhicules aéronautiques et spatiaux
• Jury : Président / Présidente : Luc Dugard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Pommier-Budinger, Daniel Alazard, Luc Dugard, Philippe Chevrel, Guglielmo Aglietti, Fabrice Boquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Chevrel, Guglielmo Aglietti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microvibrations

Commande automatique

Mots clés libres

Micro-vibrations

Dynamique flexible

Contrôle rôbuste

Fusion senseurs

Microvibrations

Flexible dynamics

Robust control

Hybrid sensing

Résumé

Dans la quasi-totalité des missions d'observation de la Terre requérant une grande précision de pointage, les micro-vibrations sont le principal élément dégradant les performances de pointage. Les principales sources de micro-perturbations sont les roues et, lorsqu'il y en a, les refroidisseurs cryogéniques. D’autres sources de perturbations sont les propulseurs chimiques, les moteurs pas à pas de l'antenne solaire, les mécanismes d'entraînement,… L'objectif de cette thèse (NPI) est de concevoir et de valider un système de pointage actif de haute précision à base d’actionneurs piézoélectriques capable de rejeter les micro-vibrations au niveau d’un miroir, avec des pénalités de masse et de puissance contrôlées. Les caractéristiques attendues de ce système sont : • une grande bande passante en boucle fermée : typiquement jusqu'à 100 Hz • une faible erreur résiduelle: typiquement inférieure à 50-100 rad (ordre de grandeur approximatif) • un encombrement et une masse faibles (à quantifier au cours de la thèse) • une puissance requise minimale (à optimiser au cours de la thèse) • la modularité • une possible évolution Ce sujet est fortement pluridisciplinaire (mécanique, automatique, optique et instrumentation). Les défis scientifiques de la thèse sont : • la conception d’un système de pointage actif à bande passante élevée avec impact de masse et de volume faible et une puissance requise à minimiser • la commande robuste du système de pointage actif permettant de rejeter des micro-perturbations dont le spectre varie en fonction des phases de la mission • la tenue des performances en précision • la définition d'une méthodologie générique de conception intégrée applicable à d'autres systèmes de pointage (plusieurs degrés de liberté, ...)

On almost all high accuracy pointing Science and Earth observation missions, micro-vibrations are the major contributor to pointing performances degradations (RPE). The main sources of micro-disturbances being the wheels and, when present, the cry-coolers. Other disturbance sources may originate from chemical thrusters, antenna stepper motors, Solar Array Drive Mechanisms (SADM), antenna trimming mechanisms, or payload mechanisms set either inside the sensitive payload, or inside another payload of the same spacecraft. The objective of this NPI is to investigate and validate a high accuracy active pointing system able to reject micro-vibrations at instrument level: • large control bandwidth : typically up to 100Hz • low residual error : typically lower than 50-100nrad (rough order magnitude to be further defined in the frame of this NPI) • low mass and volume impacts • scalable • modular This subject is strongly multidisciplinary (mechanics, control theory, optics and instrumentation). The scientific challenges of the thesis are: • the design of an active pointing system with high bandwidth, low impact of mass and volume and minimized power • the robust control of the active pointing system allowing to reject micro-disturbances whose spectrum varies according to the phases of the mission • obtaining high accuracy performances • the definition of a generic methodology of integrated design applicable to other pointing systems (several degrees of freedom e.g.)