Estimation d`Attitude Globale d`un Microsatellite à Basse Altitude par

UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIE D’ORAN
MOHAMMED BOUDIAF
Faculté de Génie Electrique
Département de l’Electronique
Mémoire présenté dans le cadre de
L’Ecole Doctorale des Techniques et Applications Spatiales
Pour l’obtention du diplôme de
Magistère en Instrumentation Spatiale
Présenté par : HARRATS Fayssal
Estimation d’Attitude Globale d’un Microsatellite à Basse
Altitude par le Filtre de KALMAN
Version : Angles d’Euler
Soutenu en 2012, devant le jury composé de :
President de Jury Mr BOUGHANMI Nabil Professeur (USTO)
Examinateurs Mr OUAMRI Abdelaziz Professeur (USTO)
Rapporteur Mr SI MOHAMMED Mohammed Arezki Directeur de recherche (CTS)
Invité Mr BOUDJEMAI Abdelmadjid Attaché de recherche (CTS)
Promotion 2007/2009

REMERCIEMENTS
Je remercie Dieu le tout puissant de m’avoir donné courage et patience
pour mener à bien ce travail, qu’il soit béni et glorifié.
Toute ma reconnaissance va à M. SI MOHAMMED Mohammed Arezki,
Directeur de recherche au Centre des Techniques Spatiales (CTS), de la division
de Mécanique Spatiale, mon directeur de thèse, pour m'avoir encadré durant ces
deux dernières années. Il a guidé efficacement mes travaux de recherche tout en
me permettant une autonomie responsable. Je le remercie pour sa disponibilité et
pour les conversations régulières que nous avons eues sur ce travail, ses conseils
scientifiques et techniques qui ont guidé très efficacement ce travail.
Je tiens à témoigner ma gratitude à M. BOUDJEMAI Abdelmadjid,
Attaché de recherche au CTS, pour son soutient, sa grande disponibilité et son
aide permanente au cours de ce travail.
Ensuite, je souhaite remercier les différents membres du jury qui ont
acceptés avec enthousiasme de prendre le temps de lire ce manuscrit et d’évaluer
mes travaux.
Un grand remerciement à M. KADDOUR BENCHERIF Fodil, qui m'a
aidé à corriger l'avant dernière version de ma thèse.

Je tiens également à remercier mes amis et mes collègues notamment
Benkerdagh Hocine et BACETTI Abdelmoumen, dont les encouragements et le
soutien n'ont jamais fait défaut.
Enfin, je ne pourrai oublier mes parents, mes frères et mes sœurs, qui
m’ont toujours encouragé, soutenu et sans lesquels je n’aurais jamais pu devenir
ce que je suis. Je les remercie de tout mon cœur et je leurs dédie ce travail.
HARRATS Fayssal

RESUME
Le contrôle d’attitude constitue pour un satellite l’un des points les plus importants du
Sous-système de Contrôle d’Attitude et d’Orbite (SCAO), son objectif est de maintenir
l’attitude (orientation angulaire) désirée du satellite, car il est important que le système
optique (camera) reste pointé sur sa cible afin qu’il puisse réussir sa mission. Pour cela,
plusieurs types de senseurs et d’actionneurs peuvent être utilisés. Nos travaux portent
particulièrement sur l’utilisation du filtre de Kalman étendu pour l’estimation globale de
l’attitude.
L’objectif principal de ce mémoire est :
• L’élaboration d’un modèle mathématique d’attitude sous la présence de diverses
perturbations.
• Le développement des modèles de référence pour l’estimateur d’attitude tels que
modèle orbital, modèle du champ magnétique terrestre, et le vecteur solaire.
• La simulation des capteurs d’attitude du satellite à savoir : senseur solaire et le
capteur du champ magnétique Terrestre.
• Le développement d’un algorithme d’estimation globale de l’attitude du satellite
en utilisant le filtre de Kalman étendu basé sur l’utilisation des angles d’Euler.
Les résultats de ce mémoire ont été obtenus grâce au simulateur développé sous le langage
Matlab en intégrant des fonctions écrites en langage C, il prend en compte l’aspect dynamique
et cinématique du satellite.
ﺺﺨﻠﻣ
ﻪﺟﻮﺘﻟا ﻰﻠﻋ ﺔﻈﻓﺎﺤﻤﻟا ﻮه ﺔﻴﺟرﺎﺧ تاﺮﻴﺛﺄﺘﻟ ﺎﻤﺋاد ﻊﺿﺎﺨﻟا ﻲﻋﺎﻨﺼﻟا ﺮﻤﻘﻠﻟ ﺔﻴﻌﺿﻮﻟا ﺔﺒﻗاﺮﻣ ﻦﻣ فﺪﻬﻟا
ﺨﻤﻟا ﺔﻤﻬﻤﻟﺎﺑ مﻮﻘﻳ نأ ﻊﻴﻄﺘﺴﻳ ﻲﻜﻟ ﻪﻴﻓ بﻮﻏﺮﻤﻟاﻪﻟ ﺔﻟﻮ. ءﺎﻄﺧأ ﻦﻤﻀﺘﺗ تﺎﺳﺎﻴﻘﻟا ﻞآ ﻊﻗاﻮﻟا ﻲﻓ . ةﺰﻬﺟأ ﻦﻣ ﺔﺒﺳﺎﻨﻤﻟا ﺔﻋﻮﻤﺠﻤﻟا ﺖﻴﺒﺜﺘﺑ ﻻإ ﻖﻘﺤﺘﺗ ﻻ ةﺪﻴﺠﻟا ﺔﺒﻗاﺮﻤﻟا
ﺎﻬﺤﻴﺤﺼﺗ ﻞﺟأ ﻦﻣ سﺎﻴﻘﻟا ﻦﻋ ﺔﻤﺟﺎﻨﻟا ءﺎﻄﺧﻷا فﺎﺸﺘآاو ،سﺎﻴﻘﻟا. ﺔﻴﺳﺎﺳﻷا روﺎﺤﻤﻟا ﻩﺎﺠﺗا ﺪﻳﺪﺤﺗ ﻲﻓ ﻦﻤﻜﻳ ﺔﻴﻌﺿﻮﻟا ﺮﻳﺪﻘﺗو ،ﺖﺑﺎﺛ ﻢﻠﻌﻤﻟ ﺔﺒﺴﻨﻟﺎﺑ ﻲﻋﺎﻨﺼﻟا ﺮﻤﻘﻠﻟﺬهﻧا ا ﺎﻗﻼﻄ
سﺎﻴﻘﻟا ةﺰﻬﺟأ ﻒﻠﺘﺨﻣ تﺎﺳﺎﻴﻗ ﻦﻣ .
فﺪﻬﻟاﻲﺳﺎﺳﻷا ﻦﻣ ﻮـه ةﺮآﺬﻤﻟا :
• تاﺮﺛﺆﻤﻟا ﻒﻠﺘﺨﻤﺑ ﺎﺑﻮﺤﺼﻣ ﺔﻟﺎﺤﻟا راﺮﻘﺘﺳﻻ ﻲﺿﺎﻳر جذﻮﻤﻧ ﻊﺿو.
• جذﺎﻤﻧ ﺮﻳﻮﻄﺗ ﻴﺿﺎﻳر ﻲﺴﻴﻄﻨﻐﻤﻟا لﺎﺠﻤﻟا جذﻮﻤﻧ ، راﺪﻤﻟا جذﻮﻤﻧ ﻞﺜﻣ رﺪﻘﻤﻠﻟ ﺔﻴﻌﺟﺮﻣ ﺔ
جذﻮﻤﻧ و ﻲﺿرﻷا ﻪﺟﻮﺘﻟا ﻲﺴﻤﺸﻟا
• ﺸﺘﺳﻻا ةﺰﻬﺟﻷ ﺔﻴﻠﺛﺎﻤﺗ ﺔﺳارد ﻞﻘﺤﻟا ةﺪﺷ سﺎﻴﻘﻟ زﺎﻬﺟ ﻚﻟذ ﻲﻓ ﺎﻤﺑ ﺮﻳﺪـﻘﺘﻟا مﺎﻈﻧ ﻲﻓ رﺎﻌ
ﺔﻴﺴﻤﺸﻟا ﺔﻤﻈﻧﻷا طﺎﻘﺘﻟا زﺎﻬﺟو ﻲﺿرﻷا ﻲﺴﻴﻃﺎﻨﻐﻤﻟا.
• ﺢﺷﺮﻣ لﺎﻤﻌﺘﺳﺎﺑ ﻲﻋﺎﻨﻄﺻﻻا ﺮﻤﻘﻟا ﺔﻟﺎﺣ راﺮﻘﺘﺳﻻ ﻲﻟﺎﻤﺟﻹا ﺮﻳﺪﻘﺘﻠﻟ ﺔﻴﻣزراﻮﺧ زﺎﺠﻧا
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ﺔﻐﻠﺑ ةﺰﺠﻨﻣ ﺔﻳﺮهﺎﻈﺗ ﺔﺳارد ﻞﻀﻔﺑ ﺎﻬﻴﻠﻋ ﻞﺼﺣ ةﺮآﺬﻤﻟا ﻩﺬه ﺞﺋﺎﺘﻧ˝Matlab˝ ﻚﻟذو ﺔﺑﻮﺘﻜﻣ ﺞﻣاﺮﺑ ﻢﻀﺑ
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I
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE ....................................................................... 1
Chapitre I: MODELISATION DU MOUVEMENT D’ATTITUDE
I.1 INTRODUCTION ................................................................................... 3
I.2 LES SYSTEME DE COORDONNES ............................................................ 3
I.2.1 Repère Inertiel (géocentrique équatorial) ................................................................... 3
I.2.2 Repère géocentrique équatorial fixe ............................................................................ 4
I.2.4 Repère orbital local ...................................................................................................... 5
I.2.5 Repère satellite ............................................................................................................ 5
I.3 MATRICE DE ROTATION ....................................................................... 6
I.4 LA REPRESENTATION D’ATTITUDE ........................................................ 6
I.4.1 Angles d’Euler ............................................................................................................. 6
I.4.2 Quaternion ................................................................................................................... 9
I.5 CONVERTION ENTRE MATRICE DE ROTATION, ANGLES D’EULER,
QUATERNION ........................................................................................ 10
I.5.1 Conversion matrice de rotation vers angles d’Euler .................................................. 10
I.5.3 Conversion angles d’Euler vers quaternion .............................................................. 11
I.5.4 Conversion quaternion vers angles d’Euler ............................................................... 11
I.6 EQUATIONS DU MOUVEMENT D’UN SATELLITE .................................... 11
I.6.1 Equation dynamique du satellite ................................................................................ 11
I.6.2 Équations Cinématiques du Mouvement ................................................................... 13
I.6.2.1 Équations Cinématiques pour le quaternion ...................................................... 13
I.6.2.2 Équations Cinématiques pour les angles d’Euler .............................................. 14
I.6.3 Système d’équation .................................................................................................... 14
I.7 SIMULATION ..................................................................................... 15
Chapitre II: LES COUPLES DE PERTURBATIONS EXTERNES
II.1 INTRODUCTION ................................................................................ 18
II.2 COUPLE DE GRADIENT DE GRAVITE ................................................... 19
II.2.1 SIMULATION ......................................................................................................... 21
II.3 COUPLE DE RADIATIONS SOLAIRES .................................................... 23
II.3.1 SIMULATION ......................................................................................................... 25
II.4 COUPLE AERODYNAMIQUE ............................................................... 27
II.4.1 SIMULATION ......................................................................................................... 27
II.5 LE COUPLE MAGNETIQUE ................................................................. 29
II.5.1 SIMULATION ......................................................................................................... 29
Chapitre III: MODELES DE REFERENCE ET SENSEURS
III.1 INTRODUCTION ............................................................................... 31
III.2 MODELE D’ORBITE .......................................................................... 31
III.3 MODELE DU CHAMP MAGNETIQUE TERRESTRE .................................. 34