Soutenance de thèse de Boris SEGRET le mercredi 25 septembre 2019

lundi 16 septembre 2019

La soutenance aura lieu le mercredi 25 septembre 2019 à 10h00 dans l’amphithéâtre Evry Schatzman (bâtiment 18) sur le site de Meudon.

Titre de la thèse

"Algorithme embarqué de navigation optique autonome pour nanosatellites interplanétaires"

Direction de thèse

Benoît Mosser et Pierre Drossart

Résumé

Le secteur des nanosatellites interplanétaires se développe et devra disposer de solutions de navigation autonomes. L’Observatoire de Paris s’intéresse tout particulièrement aux CubeSats car ils offrent une rupture technologique dans les concepts observationnels : ils ouvrent la voie à des observables jusqu’alors inenvisageables. Nous ciblons ici, pour des objectifs scientifiques nouveaux, la détermination d’orbite autonome qui est un point souvent critique de faisabilité. Les deux objectifs scientifiques qui ont motivé cette thèse sont la météorologie de l’espace interplanétaire et la géodésie des astéroïdes, objectifs réunis dans le projet technologique dit BIRDY-T. Mais d’autres besoins scientifiques ou économiques sont déjà identifiés. Un cas d’étude a été identifié qui considère une phase de croisière autonome depuis la sortie de la sphère d’influence de la Terre jusqu’au survol de Mars. Une triangulation sur les directions d’objets d’avant-plan devant un fond d’étoiles, fournies par un capteur optique à bord, est apparue insuffisante. Un filtre de Kalman a donc été conçu et ajouté. Une architecture robuste d’évaluation des performances a été mise en place pour ce développement qui promettait d’être long. L’architecture de test exploite les matrices de variances-covariances issues du filtre de Kalman, en remplacement des analyses initiales par tirages Monte-Carlo. L’analyse de covariance délimite un contexte mathématique dans lequel des optimisations doivent désormais être recherchées. Cette analyse est de plus intégrée à une approche, appelée MBSE, d’ingénierie système basée sur les modèles qui est stratégique pour la capacité de nos laboratoires à "vendre" les nouveaux concepts observationnels qu’ils proposent grâce aux nanosatellites. Les plus récentes évolutions de l’algorithme sont présentées. Le filtre de Kalman est modifié pour itérer après chaque mesure individuelle (sequential filter) au lieu d’attendre un jeu complet de mesures (batch filter). Une précision de 50 km à 3-sigma a été atteinte en milieu de croisière Terre-Mars. L’algorithme actuel, fondé sur des mesures optiques, est désormais prêt pour recevoir d’autres types de mesures, par exemple d’imagerie (un diamètre angulaire d’astéroïde) ou de radio-science (distance et Doppler) qui viendront toutes améliorer le filtrage embarqué. Le relâchement des contraintes de linéarisation posées au début de la démarche a permis d’améliorer encore la précision à environ 30 km de précision à 3-sigma. Surtout, des contextes fortement non linéaires sont désormais envisageables, comme des opérations au voisinage d’un astéroïde où les champs de gravité attendus sont complexes (objets non sphériques, multiples...). Pour finir, le coût CPU de la boucle principale de traitement est estimée à 1.3 seconde dans le cas basique (filtre linéaire en sortie de l’instrument optique) et pour un processeur de type CubeSat. C’est donc une solution opérationnelle.