Recherche et développement

En plus de soutenir plusieurs programmes de mission et activités de démonstration sur le terrain, NGC mène également de nombreuses activités de recherche et développement qui visent à appuyer les missions spatiales à venir.

ACTIVITÉS DE RECHERCHE ET DÉVELOPPEMENT

Depuis la création de NGC en 2001, son équipe d’ingénieurs et son personnel de soutien ont contribué à la réussite de plus de 80 projets de recherche et développement avec l’Agence spatiale canadienne (ASC), l’Agence spatiale européenne (ASE) et plusieurs grandes sociétés aérospatiales au Canada, en Europe et aux États-Unis. Ces projets couvrent la totalité des activités de développement technologique, de la recherche fondamentale sur la théorie de la commande multivariable robuste, les systèmes de guidage autonomes et la théorie de l’estimation d’états pour la navigation, à l’élaboration de simulateurs et de logiciels de vol validés à bord d’engins spatiaux.

Une liste non exhaustive des activités de recherche et développement menées par NGC est fournie ci-dessous et elle est regroupée dans les catégories suivantes :

CONCEPTS ET TECHNOLOGIES POUR LES MISSIONS D’EXPLORATION PLANÉTAIRE

Système d’entrée atmosphérique, de descente et d’atterrissage robuste (REDL – Robust Entry Descent and Landing)

L’étude REDL visait à définir, analyser et spécifier les systèmes d’entrée atmosphérique, de descente et d’atterrissage requis dans les scénarios d’atterrissage sur Mars ou sur la Lune. La tâche de NGC consistait à développer et valider des concepts pour les systèmes GNC robustes et les outils d’analyse et les algorithmes GNC qui y sont associés pour effectuer des atterrissages précis, à valider l’efficacité des systèmes EDL (Entry, Descent and Landing) et GNC sur un simulateur haute-fidélité de bout en bout, à démontrer leur robustesse pour les différents scénarios sur Mars et sur la Lune, ainsi qu’à effectuer l’installation du logiciel sur un ordinateur de bord aux performances semblables à celui qui sera installé dans les engins spatiaux afin d’en évaluer la performance en temps réel. L’objectif était de les amener à un niveau de maturité technologique de 3 ou 4. Parallèlement, l’étude portait également sur des questions au niveau système relatives à la conception du scénario d’atterrissage, à la trajectoire d’atterrissage, à l’architecture du système de propulsion, ainsi qu’au choix des capteurs et à leur configuration.

Par cette étude, NGC a entièrement conçu et validé le logiciel GNC pour l’exploration robotique autonome sur la Lune et sur Mars, notamment :

  • pour Mars : guidage et commande autonomes durant la phase atmosphérique en utilisant la navigation inertielle, stratégie pour ledéploiement intelligent de parachute au moment opportun, guidage et commande autonomes pour la phase de descente propulsée avec navigation relative et absolue utilisant comme repères les caractéristiques du terrain pour un atterrissage de précision.
  • pour la Lune : freinage autonome à l’aide de la navigation inertielle et de la navigation par rapport à la surface, guidage et commande autonomes pour la phase finale de la descente avec navigation relative et utilisant comme repères les caractéristiques du terrain pour un atterrissage de précision..

Le concept GNC a été réalisé sur un processeur aux performances semblables à ceux utilisés en vol et validé dans un environnement de simulation haute-fidélité. L’étude menée pour l’Agence spatiale européenne a utilisé les missions d’alunissage (Lunar Lander) et de prélèvement d’échantillons sur Mars (Mars Sample Return) comme scénarios de référence.

Démonstrateur de système avionique, EDL et GNC (SAGE – Scalable EDL GNC & Avionics System Demonstrator)

L’étude SAGE s’appuie sur l’expérience REDL et intègre les concepts autonomes de détection et d’évitement d’obstacles et de détection, isolement et rétablissement des défaillances défaillances au logiciel GNC d’atterrissage sur la Lune et sur Mars. L’objectif de SAGE est d’élaborer et d’amener à une maturité technologique de niveau 5 ou 6 un système autonome de guidage, de navigation et de commande capable d’amener des engins spatiaux coûteux de façon sûre et précise sur Mars et sur la Lune.

L’étude a entraîné la création d’un démonstrateur complet pour le système-référence GNC d’entrée atmosphérique, de descente et d’atterrissage qui comprend notamment des logiciels intégrés et la validation sur des équipements matériels dans le contexte des scénarios de missions robotiques sur la Lune et sur Mars.

Sous-système de navigation planétaire relative à la surface (FPNS – Feature-Based Planetary Navigation Subsystem)

L’étude FPNS portait sur l’élaboration d’une combinaison novatrice de technologies Lidar et caméra avec des algorithmes de reconnaissance des caractéristiques de la surface afin de permettre aux orbiteurs et aux modules atterrisseurs planétaires de déterminer par eux-mêmes leur position, leur vélocité et leur orientation de façon autonome en se servant uniquement des éléments topographiques et radiométriques qui se trouvent sur la surface d’une planète. Le système se veut applicable à l’exploration de grands corps planétaires avec ou sans atmosphère, ainsi qu’aux petits astres tels que les astéroïdes et les comètes. Ce système a été conçu en particulier pour les missions d’exploration qui nécessitent une fonctionnalité qui s’apparente au GPS afin de déterminer avec précision l’orbite autour d’une planète et d’effectuer des atterrissages et des prélèvements d’échantillons tout aussi précis.

Sous-système de navigation planétaire relative à la surface (© CSA)

TECHNOLOGIES DE GUIDAGE, DE NAVIGATION ET DE COMMANDE (GNC) POUR LE VOL EN FORMATION

Algorithmes GNC combinés pour l’attitude et l’orbite des petits satellites en formation en utilisant le mouvement naturel (FFSAT – Coupled Attitude and Orbit GNC Algorithms for Small Satellites in Formation using Natural Motion)

Le projet FFSAT consistait à élaborer des algorithmes novateurs capables d’exécuter en mode autonome des manœuvres combinées de commande d’attitude et de translation en orbite pour une mission de petits satellites volant en formation dans un environnement spatial des plus complexes, soit sur une orbite hautement excentrique avec perturbations orbitales. Au cours de cette étude, NGC a consolidé sa solide expertise en conception de missions GNC composées de plusieurs engins spatiaux. Le logiciel de vol en formation GNC mis au point par NGC comprend des fonctionnalités de navigation pour attitude et translation, de guidage et de commande. En outre, ce projet a utilisé le très efficace cadre de vérification et de validation PROBA-2 afin de procéder à des tests logiciels au niveau du système et des tests d’intégration du système.

La mission conjointe Japon-Canada pour le vol de satellites en formation (JC2Sat – Japan Canada Joint Collaboration Satellite Formation Flight Mission)

NGC a soutenu l’Agence spatiale canadienne dans la conception et l’analyse du concept de mission JC2Sat NGC a élaboré des méthodologies afin de soutenir l’évaluation de compromis sur le plan du système, ainsi que les analyses de faisabilité pour cette mission de démonstration de commande de vol en formation utilisant la traînée atmosphérique comme source de force de commande. NGC a également appuyé l’Agence spatiale canadienne en apportant son expertise en conception et validation de logiciels pour engins spatiaux à base de modèles.

JC2Sat

Représentation des satellites JC2Sat-FF en formation le long de la trajectoire (© CSA, JAXA)

TECHNOLOGIES GNC POUR LES MANŒUVRES DE RENDEZ-VOUS DANS L’ESPACE

Logiciel d’estimation d’états de la navigation relative (RENSES – Relative Navigation State Estimation Software)

Dans le projet RENSES, NGC a conçu, mis en œuvre et testé un filtre d’estimation d’états relatif afin d’appuyer la collecte et l’élimination des débris orbitaux de même que les missions de rendez-vous dans l’espace lointain. Ce filtre de navigation est un élément-clé d’un système de navigation relative (RNS) qui comprend les capteurs et les logiciels de traitement qui effectueraient l’estimation des états relatifs, tant pour les cibles qui coopèrent que pour celles qui ne coopèrent pas, que ce soit en orbite autour de la Terre ou dans l’espace lointain.

Concept de mission de collecte et d’élimination des débris (MODEL – Orbital Debris Removal Mission Concept)

NGC a appuyé une étude menée par COM DEV qui visait à définir un concept-référence pour une mission de ramassage des débris en orbite basse. NGC a conçu le scénario de mission de référence, défini les exigences GNC et réalisé la conception du système GNC pour toutes les étapes de la mission.

Mission de prélèvement d’échantillons sur Mars (Mars Sample Return)

Dans le cadre de l’étude préliminaire qui visait à définir la mission EXOMARS, NGC a effectué l’analyse de la mission, prévu les orbites de recherche, choisi les capteurs et conçu les algorithmes de navigation qui permettent de détecter un engin spatial en orbite autour de Mars à 500 km d’altitude, d’estimer son orbite relative et d’effectuer un rendez-vous avec celui-ci afin de récupérer une capsule contenant des échantillons de la surface martienne.

CONCEPTS POUR LES MISSIONS D’EXPLORATION D’ASTÉROÏDES

Phase A de la mission Don Quijote pour les objets géocroiseurs (NEODQ – Near-Earth Object Don Quixote Mission Phase A)

L’étude de définition de la mission NEODQ de l’Agence spatiale européenne visait à dévier la trajectoire d’un astéroïde afin d’éviter qu’il entre en collision avec la Terre. NGC était responsable de la conception du système GNC pour les deux engins spatiaux, soit l’impacteur et l’orbiteur. Une estimation d’état relatif très précise à l’aide d’une caméra et une stratégie de manœuvres propulsives aux moments critiques avant l’impact ont été élaborées afin de répondre aux exigences de la mission. Le concept GNC pour l’orbiteur comportait les exigences suivantes : effectuer le rendez-vous avec l’astéroïde, maintenir un positionnement sécuritaire sur la même orbite afin de suivre le cours de l’impact et acquérir des orbites sécuritaires autour de l’astéroïde afin de déterminer sa nouvelle orbite après l’impact.

Phase A de la mission Marco Polo (MPOLO – Marco Polo Phase A)

Pour cette étude de définition de la mission de l’Agence spatiale européenne qui vise à ramener sur Terre des échantillons de la surface d’un astéroïde, NGC devait se charger du système GNC autonome nécessaire pour acquérir, surveiller et maintenir une orbite sécuritaire autour de l’astéroïde et procéder aux prélèvements d’échantillons à l’aide de diverses solutions envisagées (vol en surplace, échantillonnage par posé-décollé, atterrissage). NGC a élaboré une technique de navigation novatrice fondée sur des mesures de distance et un modèle de l’astéroïde qui permettent la détermination autonome du positionnement inertiel de l’engin spatial avec une grande précision.

MARCO POLO

Représentation de l’engin spatial Marco Polo lors de sa descente vers le site d’échantillonnage (© ESA, source)

TECHNOLOGIES DE VÉRIFICATION ET DE VALIDATION

Outils d’analyse des pires scénarios et de la sécurité pour le système de rendez-vous autonome (VVAF – Worst-Case & Safety Analysis Tools for Autonomous Rendezvous System)

L’étude VVAF vise à définir, élaborer et valider deux cadres intégrés de vérification et de validation pour les systèmes de rendez-vous autonomes GNC, qui comportent respectivement une technique analytique et une technique d’analyse fondée sur l’optimisation. L’étude a défini un cadre intégré de vérification et de validation analytique hors ligne qui oriente les simulations Monte-Carlo en tirant parti de l’analyse locale des pires scénarios au moyen de la mu-analyse. Elle évaluait les avantages des cadres intégrés de vérification et de validation par rapport à un cadre de vérification et de validation conventionnel en se servant de l’étape de rendez-vous de la mission de prélèvement d’échantillons sur Mars (Mars Sample Return) menée par l’Agence spatiale européenne comme scénario de référence.

Boîte à outils pour la transformation linéaire fractionnaire améliorée (ELFTT – Enhanced Linear Fractional Transformation Toolbox)

L’étude ELFTT visait à concevoir et à valider une boîte à outils qui servira à créer et à valider la représentation par transformation linéaire fractionnaire(LFT) pour des applications spatiales. Cette boîte à outils comprend des fonctions qui visent à manipuler, créer, réduire, vérifier et analyser les LFT. Elle met en œuvre des LFT pour dynamiques d’attitude avec modes souples et des systèmes de rendez-vous orbital. La vérification et la validation conventionnelles ont été utilisées pour confirmer l’efficacité de la boîte à outils.

Cadre pour la vérification et la validation de la conception d’un système de commande de vol robuste (SAFEV – Robust Flight Control System Design Verification and Validation Framework)

L’étude SAFEV visait à élaborer un cadre amélioré pour la conception, la validation et la vérification qui comprend la méthodologie, les algorithmes et les outils pour les systèmes variables non linéaires incertains et essentiels à la sécurité (p. ex., les lanceurs). Ce cadre a considérablement diminué les efforts nécessaires à la conception, la vérification et la validation. En se fondant sur l’étude VVAF, NGC a contribué à ce projet en concevant et en appliquant deux techniques d’analyse améliorées :

  • l’approche hors ligne que NGC a élaborée dans le projet VVAF pour assurer le suivi du pire cas, qui consiste à intégrer l’analyse linéaire de la robustesse à un cadre conventionnel de vérification et de validation Monte-Carlo ou à un cadre d’optimisation globale au moyen de la mu-analyse afin de diriger les simulations vers l’une des régions dans l’espace des paramètres incertains où le comportement du système est critique;
  • l’approche en ligne qui consiste à adapter la LFT en fonction de l’évolution de la simulation non linéaire afin de toujours effectuer l’analyse locale la plus exacte qui soit. Les simulations elles-mêmes sont dirigées par l’optimisation pour suivre le pire cas.

CONCEPTS POUR LES MISSIONS D’OBSERVATION DE LA TERRE

Plateforme pour l’observation de la Terre et pour les expériences relatives aux technologies en orbite (POETE – Platform for the Observation of the Earth and for In-Orbit Technology Experiments)

Grâce à l’étude POETE (financée par l’Agence spatiale canadienne, ASC), NGC a agi à titre d’entrepreneur principal dans la conception d’une mission de surveillance de l’environnement et des feux de forêt par microsatellite. Dans cette étude, la mission, la charge utile d’équipement et les exigences du système ont été développées, la constellation orbitale de la mission a été établie, le scénario de fonctionnement a été défini et la faisabilité du concept a été étudiée.

Aperçu du concept de la mission de la plateforme pour l’observation de la Terre et pour les expériences relatives aux technologies en orbite (POETE – Platform for the Observation of the Earth and for in-orbit Technology Experiments) (© CSA)

Mission microsatellitaire TICFIRE (Thin Ice Clouds in the Far InfraRed Experiment)

Dans l’étude portant sur la mission TICFIRE, NGC a dérivé les exigences relatives à l’orbite, à la navigation et au pointage du satellite pour une mission d’observation des nuages de glace fins au-dessus de l’Arctique menée par l’ UQAM.

Aperçu du concept de la mission TICFIRE (Thin Ice Clouds in the Far InfraRed Experiment) (© CSA)

Phase A du système d’identification automatique (SIA) des constellations de satellites (AIS-C – AIS Constellation Phase A)

Dans cette étude, NGC a apporté son soutien à COM DEV pour la conception et l’évaluation de la performance d’une constellation de microsatellites pour le repérage de navires. NGC a dressé une liste de candidats qui répondent aux exigences de la mission et a fait des choix en fonction de la qualité de la couverture, du temps d’attente pour obtenir les données, des exigences en matière d’entretien ainsi que du coût.

TECHNOLOGIES AVANCÉES POUR LES SYSTÈMES DE CONTRÔLE DE L’ATTITUDE ET DE L’ORBITE

Techniques de commande avancées pour les satellites autonomes (ACTAS – Advanced Control Techniques for Autonomous Satellites)

L’étude ACTAS, menée dans le cadre d’un contrat de l’Agence spatiale européenne, démontrait la faisabilité pratique des lois de commande simples et fiables de l’attitude d’engins spatiaux équipés d’un système de stabilisation à 3 axes en se fondant uniquement sur le champ magnétique de la Terre. L’objectif final de ce projet est de définir une démonstration en vol à l’aide du moment cinétique embarqué, de capteurs magnétiques et des actionneurs actuels de la plateforme PROBA , avec l’acquisition d’un pointage vers le Soleil et la Terre et le maintien de celui-ci, ainsi qu’une évaluation de la performance atteignable. Dans le cadre de la mission PROBA-V, NGC a fait évoluer l’algorithme ACTAS davantage. Il sert maintenant de mode sécuritaire pour l’engin spatial PROBA-V.

Techniques avancées d’estimation d’états des engins spatiaux autonomes (ASETAS – Advanced State Estimation Techniques for Autonomous Spacecraft)

Les études ASETAS, menées dans le cadre de contrats de l’Agence spatiale européenne, visaient à élaborer des techniques novatrices pour la détermination autonome de l’orbite et de l’attitude d’un engin spatial. Dans ASETAS-1, une technique simple a été élaborée afin de déterminer trois des quatre paramètres orbitaux d’une orbite circulaire (ou presque circulaire) à partir de l’hypothèse selon laquelle la détection de l’entrée et de la sortie de la zone d’éclipse à l’aide de capteurs de température, de lumière et des détecteurs de courant des panneaux solaires fournirait des renseignements sur l’état de l’orbite. NGC a démontré et validé cet algorithme à l’aide de simulations. Dans ASETAS-2, un filtre de Kalman non parfumé (UKF) a été étudié, évalué en détail et comparé au filtre de Kalman étendu (EKF), qui est plus répandu. Les deux types de filtre ont été utilisés en vol à bord de l’engin spatial PROBA-2 afin d’évaluer leur performance relative en orbite. Les missions d’exploration de l’espace lointain tireraient avantage d’une telle technologie.

Système de commande et de détermination de l’attitude à haute précision et grande maniabilité pour les satellites terrestres (HAHA – High Accuracy High Agility Attitude Determination and Control System for Earth Satellites)

Dans cette étude financée en partie par l’Agence spatiale canadienne, NGC a mis au point les fonctions SCAO novatrices requises pour doter les satellites en orbite autour de la Terre d’une haute précision et d’une grande maniabilité. Ces fonctions comprennent l’estimation des couples dus aux perturbations environnementales (notamment les couples causés par le champ magnétique et la pression causée par le rayonnement solaire), une loi de guidage pour pointer vers l’horizon, ainsi qu’une loi de commande pour l’utilisation de plus de trois roues à réaction de manière optimale malgré les contraintes liées aux passages à vitesse nulle, à la saturation et à la gestion du moment cinétique angulaire afin d’accroître la précision et la maniabilité du pointage dans l’espace.