Calibration of an active space telescope
Étalonnage d'un instrument d'observation spatial actif
Résumé
A new parallel robotic architecture has previously been developed for an active space telescope. The telescope needs to be calibrated in order to improve its optical quality. This also has to be done automatically in space with the available information (propriocetive measures, images, etc) which is referred as self-calibration. First, the necessary hypothesis for calibration are analyzed. This theoretical study, illustrated with examples, leads to the definition of the necessary conditions for an efficient calibration. With those conditions, the required accuracy of the model parameters and the maximal measurement noise allowed for calibration can be calculated. A physically meaningful stop criterion for the identification algorithm can also be derived and a normalization of the identification Jacobian matrix is proposed, which permits the analysis of its singular values in order to detect identifiability problems. Concerning the telescope modeling, three kinematic models taking into account the telescope flexure joint behaviors are proposed, for example using the beam theory or the static equilibrium of the mobile platform. Those models are compared through an analysis of the calibration results using photogrammetry. This analysis highlights a deformation of the mobile platform of the telescope, that was considered using two models. Thus, the kinematic model of the telescope is composed of both a model for the flexure joints and a model approaching the mobile platform deformation. This model was validated with the calibration results of photogrammetry. Finally, an experimental setup of measurement by imaging was considered in order to simulate the telescope behavior in space. Opto-mechanical models were developed in order to link the image defects to the required mechanical corrections. We showed that it is possible to calibrate those models using images data, by using Zernike polynomials. Consequently, the telescope can be self-calibrated in space with the available information.
Une nouvelle architecture robotique parallèle de télescope d'observation spatial actif a été développée préalablement à cette thèse. Afin de pouvoir améliorer le réglage optique du télescope, la structure robotique doit pouvoir être auto-étalonnée dans l'espace, à partir des informations disponibles (mesures proprioceptives, images, etc). Dans un premier temps, les hypothèses nécessaires pour assurer le bon déroulement de l'étalonnage sont analysées. Cette étude théorique, appuyée par des exemples, permet de définir des conditions nécessaires à l'étalonnage. Ces conditions permettent de déterminer les précisions nécessaires sur les paramètres du modèle et l'amplitude maximale du bruit de mesure admissible pour l'étalonnage. Avec ces valeurs, un critère d'arrêt pour les algorithmes d'étalonnage ayant une réelle signification physique peut être obtenu. De plus, une normalisation de la matrice d'identification est proposée, ce qui permet l'analyse de ses valeurs singulières pour détecter les problèmes d'identifiabilité des paramètres. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la modélisation du télescope d'observation. Plusieurs modèles de déformation des articulations flexibles du télescope sont proposés, en considérant par exemple les équations de la théorie des poutres ou l'équilibre statique de la plate-forme. Ces modèles sont ensuite comparés expérimentalement par une analyse des résultats d'étalonnage photogrammétrique. Cette analyse permet aussi d'observer une déformation de la plate-forme mobile qui peut être approchée par l'intermédiaire de deux modèles. Le modèle géométrique du télescope est donc l'association d'un modèle physique pour les articulations flexibles et d'un modèle qui approche les déformations de la plate-forme mobile. Une fois le modèle géométrique validé, un dispositif expérimental de mesure par imagerie a été mis en place afin de simuler les images que pourrait observer le télescope une fois dans l'espace. Des modèles opto-mécaniques ont été développés afin de relier les défauts des images à la correction à apporter sur la position des actionneurs du télescope. Les résultats d'étalonnage par imagerie permettent de conclure qu'il est possible d'auto-étalonner le télescope directement dans l'espace à partir des informations disponibles.