Concevoir une chaîne d'instrumentation d'essais en vol : du capteur au rapport

Ce que « chaîne » veut dire

Une chaîne d'instrumentation va d'une grandeur physique sur la cellule à une phrase dans un rapport. Entre les deux il y a une petite dizaine d'étapes, et elles obéissent à une règle qui décide de tout le reste : chaque étape peut perdre de l'information, aucune ne peut en restituer.

Deux conséquences en découlent, et toutes deux sont régulièrement ignorées. La première : la qualité du résultat est fixée par l'étape la plus faible, si bien que la vraie question d'ingénierie n'est jamais « quelle est la qualité de mon enregistreur » mais « quelle étape constitue mon plafond ». La seconde : surdimensionner une étape isolée n'achète rien — un convertisseur 24 bits derrière un capteur exact à un demi pour cent produit une mesure très précise d'une chose imprécise.

Il existe une exception à cette lecture par étapes, et c'est la raison pour laquelle cet article existe en un seul morceau plutôt qu'en neuf. Le temps n'est pas une propriété d'étape. C'est une propriété de la chaîne, partagée par toutes les voies, et c'est la seule chose qu'aucun meilleur instrument placé quelque part ne pourra corriger après coup.

Le capteur et son conditionnement

Tout ce qui se trouve en amont du convertisseur fixe le plafond. L'exactitude du capteur, la stabilité de son excitation, le câble et son blindage, le complément de pont, l'amplification, le filtrage, l'isolation galvanique : quand une valeur atteint un convertisseur, sa qualité est déjà décidée.

Et chaque famille de capteurs apporte son problème. Une jauge de contrainte exige une excitation stable et un pont complété, et elle rapportera très volontiers la température de son propre câble si on la laisse faire. Un thermocouple exige un type connu et une référence de soudure froide. Un accéléromètre IEPE exige une alimentation à courant constant et possède une limite passe-haut qui retire discrètement les basses fréquences dont vous aviez peut-être besoin. Un LVDT exige une excitation alternative et une démodulation synchrone.

Numériser : cadence, étendue et résolution

La cadence d'échantillonnage est une décision de budget déguisée en décision de physique. Deux fois la fréquence maximale d'intérêt est un plancher théorique ; cinq à dix fois, c'est ce qui produit une courbe lisible par un ingénieur et ce qui laisse de la place pour filtrer ensuite. Et quelle que soit la cadence attribuée, le filtre anti-repliement doit y correspondre — le repliement est le seul défaut de toute la chaîne qu'on ne peut pas détecter après coup, parce que la donnée corrompue paraît propre.

L'étendue et la résolution fonctionnent ensemble et sont généralement mal appariées. Seize bits est la norme, mais ce qui compte est le nombre effectif de bits et la fraction de l'étendue réellement utilisée : une entrée ±10 V qui enregistre un signal ne dépassant jamais ±0,5 V a jeté quatre bits avant le premier échantillon. À l'inverse, une étendue trop juste produit des échantillons écrêtés — et un échantillon écrêté est pire qu'un échantillon manquant, parce qu'il a l'air parfaitement valide.

Multiplexer et horodater

Le multiplexage est ce qui permet à un support et à une liaison radio de porter des centaines de voies : chacune reçoit son créneau dans une structure répétée. Cette structure est un contrat, et elle doit être identique à bord et au sol — un format qui ne correspond pas ne produit pas des données visiblement cassées, il produit des données plausibles, ce qui coûte beaucoup plus cher.

L'horodatage est l'endroit où les campagnes se perdent discrètement. Chaque unité d'acquisition, chaque enregistreur et la station sol doivent être asservis à la même référence — IRIG-B, GPS ou PTP. Deux équipements sur des horloges indépendantes héritent d'un décalage fixe, invisible dans chaque fichier pris isolément et évident dès qu'on les superpose, et le retrouver coûte généralement plus cher que l'instrumentation elle-même.

Le raffinement qui distingue une bonne chaîne d'une chaîne acceptable, c'est d'enregistrer quelque chose sur le temps lui-même : quelle source a daté chaque bloc, et si cette source était saine à ce moment-là. Reconstituer après coup une perte de GPS à partir de souvenirs et de carnets de vol est un mauvais usage d'une semaine d'ingénieur.

Écrire : le support et le conteneur

Deux décisions indépendantes se jouent à cette étape. Le support décide si vous gardez tous les échantillons : un enregistreur a besoin de déterminisme soutenu, pas de débit de pointe, et la spécification qui compte est la pire milliseconde plutôt que la seconde moyenne. Le conteneur décide de ce qui survit à une interruption : un fichier dont l'index vit à la fin transforme une coupure en perte totale, alors qu'une suite de blocs autonomes qui se datent eux-mêmes se dégrade à exactement ce qui a été écrit.

Ces deux décisions sont peu coûteuses à bien prendre d'avance et chères à reprendre. Toutes deux sont aussi faciles à valider : faites tourner la chaîne à plein débit pendant des heures et comptez les échantillons, puis coupez l'alimentation en pleine écriture et regardez ce que vous arrivez à relire.

Transmettre : ce qui descend en direct

La liaison de télémesure ne porte jamais tout, et ce n'est pas son rôle. Ce qui descend, c'est le sous-ensemble qui permet aux ingénieurs d'essais de suivre le point, de le juger et d'enchaîner — quelques mégabits par seconde de paramètres, et souvent une voie vidéo à qualité réduite. Ce qui est enregistré à bord, c'est ce qui répondra à la question ensuite.

La quantité que vous pouvez envoyer est décidée par une colonne de décibels, et la ligne faible de cette colonne est presque toujours l'antenne de bord plutôt que l'émetteur. Doubler le débit double la bande occupée et coûte trois décibels : d'où l'intérêt de suivre le débit comme un élément de configuration sur toute la campagne, plutôt que de le découvrir en bord de portée.

Au sol : de la donnée à la réponse

Le segment sol a deux missions qu'on confond souvent. Pendant le vol, il reçoit, démodule, décommute et affiche, pour que quelqu'un puisse décider en quelques secondes. Après le vol, il décharge, applique l'étalonnage, aligne toutes les voies sur une chronologie unique, extrait les segments qui comptent et les exporte vers l'outil dans lequel l'analyse se fait réellement.

Une bonne chaîne sol a trois propriétés qui méritent d'être spécifiées explicitement. Elle reconstruit la chronologie à partir du temps enregistré et non de l'ordre d'arrivée. Elle contrôle l'intégrité au lieu de la supposer — paquets manquants, ruptures de séquence, pertes de synchronisation, sommes de contrôle en défaut, bloc de réglage qui ne correspond pas aux données. Et elle exporte sans résistance, parce qu'un rapport ne s'écrit jamais dans l'outil du fournisseur d'acquisition.

La chaîne ne s'achève pas quand le fichier existe. Elle s'achève quand la question a une réponse que quelqu'un d'autre peut vérifier.

Ce qui casse réellement une chaîne

• Des références de temps qui ne sont pas communes. En premier parce que c'est le plus fréquent, le plus coûteux et le moins visible dans chaque fichier pris séparément.
• Une configuration qui a dérivé : un format de trame, un document d'interface bus ou un étalonnage qui ne correspond plus à l'enregistrement auquel on l'applique. La donnée paraît plausible et elle est fausse.
• De la marge mangée sans bruit. Le débit monte à mesure qu'on ajoute des paramètres, le stockage se remplit, le bilan de liaison n'est jamais rouvert, et tout fonctionne jusqu'au jour où non.
• Une chaîne jamais exercée de bout en bout, à plein débit, sur une durée réaliste. Des essais sur établi au dixième du débit ne prouvent rien sur un enregistreur.
• L'environnement. Une chaîne qui fonctionne sur un bureau et pas à −40 °C, ou qui échoue en CEM avec le harnais cheminé comme il le sera vraiment.
• Et celle que personne n'écrit : personne n'est propriétaire de la chaîne. Chaque fournisseur répond de son boîtier, et les interfaces entre eux n'appartiennent à personne.

Le remède à l'essentiel de cette liste tient en une journée, passée une fois, avant la campagne : injecter un signal connu au capteur, le suivre à travers chaque étape, et produire le rapport à partir de lui. C'est la journée la moins chère de tout le programme, et c'est le seul essai qui mesure la chaîne plutôt que les boîtiers.