La navigation astronomique d'une sonde autonome, pour l'exploration du système solaire à l'ère de Gaia

The Astronomical Navigation of Autonomous Spacecraft, for the deep space exploration in Gaia's Era

• Auteur / Autrice : Yann Duchemin
• Direction : Jean-Eudes Arlot, Valéry Lainey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 28/01/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (Paris ; 2000-....) - Institut de mécanique céleste et de calcul des éphémérides (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Roques
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Eudes Arlot, Valéry Lainey, Octavian Curea, Olivier Maurice, Paolo Tanga
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Octavian Curea, Olivier Maurice

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sondes spatiales

Navigation (astronautique)

Mots clés libres

Navigation

Autonome

Exploration

Localisation

Système solaire

Navigation spatiale

Navigation

Autonomous

Exploration

Localization

Solar system

Deep space navigation

Résumé

Les sondes spatiales sont actuellement guidées en majorité par le réseau de radiotélescopes du Deep Space Network (DSN). Seule l'attitude (orientation) de la sonde peut être déterminée de manière autonome grâce à la visée d'étoiles. Le nombre croissant de sondes spatiales, l'utilisation de moteurs ioniques impliquant l'abandon des trajectoires balistiques, vont augmenter la pression sur les réseaux de suivi du DSN. La navigation totalement autonome d'une sonde va devenir essentielle. Une sonde doit savoir « faire le point » comme un navire en mer, à la différence fondamentale près, que l'on ne se place plus sur une surface, mais dans un espace a trois dimensions (quatre si on inclut le temps). Les expériences menées jusqu'à présent se sont limitées à une autonomie des sondes lors de leur arrivée dans l'environnement d'une planète: la cartographie embarquée de la planète permet à la sonde de se situer dans l'espace proche de la planète. Quelques missions automatiques ont permis l'exploration d'astéroïdes, d'approcher des comètes, ou encore de photographier la Lune. Mais le problème reste entier pour une sonde éloignée pour laquelle on ne peut pas conserver un contact permanent. Le travail réalisé dans cette thèse a été d'examiner les possibilités pour une sonde de connaître sa position indépendamment de toute aide du sol à différentes étapes d'une mission. Pour la localisation autonome, il est indispensable de bien repérer les corps mobiles du système solaire, et d'en évaluer leur magnitude. Leur utilisation et leur sélection en cours de mission va dépendre de la précision de leurs éphémérides respectives qui va influer sur la précision de localisation de la sonde. Les contraintes dues aux matériels d'observation embarqués ont dû être pris en compte, plus particulièrement pour le système d'observation qui est au cœur du système. Les méthodes à utiliser doivent être efficaces dans le cas de positionnements successifs sur une trajectoire estimée en phase voyage. C'est pourquoi, à partir d'une position a priori connue, j'ai convergé vers une méthode probabiliste de localisation.

Spacecrafts are nowadays mainly guided by Deep Space Network (DSN) radio telescopes. Stellar sensors can only provide the attitude (orientation) of the probe. The increasing number of spacecrafts, the use of ion thrusters involving the abandonment of ballistic trajectories, will raise the load on DSN tracking arrays. Totally autonomous navigation is becoming essential. A probe must be able to « take a bearing », like a ship at sea, except that the environment is a three-dimensionnal space (four, with time). So far, spacecrafts have experimented autonomous navigation only while approaching a planet, using onboard mapping. A few automated space missions have allowed to explore asteroids, to get close to comets or to photography the Moon. But the issue remains unresolved in the case of a remote probe for which permanent contact can’t be kept. The aim of my research works was to investigate the possibilities for a spacecraft to know its position at different stages of the mission without any information from the ground. It is essential for autonomous localization to properly identify solar system mobile bodies and evaluate their magnitude. During mission, the choice and use of an object will depend on the accuracy of its ephemerides. Moreover, constraints due to on-board equipment have to be taken into consideration. In the case of successive positionning on an estimated trajectory during cruise travel, effective means must be used. Therefore, I have chosen a probabilistic method of localization from an a priori known position.