Contrôle robuste des microvibrations et analyse pire cas pour les missions spatiales nécessitant une trés haute stabilité en pointage

Robust microvibration control and worst-case analysis for high pointing stability space missions

• Auteur / Autrice : Valentin Preda
• Direction : David Henry, Jérôme Cieslak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique, signal et image, ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 13/12/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Ali Zolghadri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Samir Bennani, Alexandre Falcoz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Alazard, Olivier Sename

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse Pire Cas

Satellites

Commande H-infini

Mots clés libres

Contrôle robuste

Missions spatiales à haut stabilité

Micro-vibrations

Robust control

High stability space missions

Microvibration

Résumé

Le contexte général des travaux de recherche de cette thèse concerne les problématiques liées à l’optimisation glob-ale liée à la conception des futurs satellites d’observation terrestre et de missions scientifiques, nécessitantune très haute stabilité en pointage (capacité du satellite à garder son point de visée). Plus particulièrement,les travaux concernent le contrôle actif des modes micro-vibratoires.Dans une mission satellitaire d’observation terrestre, la qualité des images dépend bien évidemmentdes instruments de mesure optique (diamètre du miroir, aberrations optiques et qualité du polissage)mais également des performances de la stabilité de la ligne de visée du satellite qui peut s’avérer dégradéepour cause de micro-vibrations. La présence de ces micro-vibrations est liée aux divers éléments tournantdu satellite tels que les mécanismes de rotation des panneaux solaires ou de contrôle d’orientation dusatellite (on parle de contrôle d’attitude réalisé au moyen de roues inertielles).Le contrôle des micro-vibrations représentent ainsi un défit technologique, conduisant l’ESA et les ac-teurs industriels du monde spatial, a considéré cette problématique comme hautement prioritaire pour ledéveloppement des satellites d’observation terrestre nouvelle génération.Il existe à l’heure actuelle deux principes fondamentaux de contrôle des micro-vibrations :• le contrôle dit passif: la stratégie consiste à introduire des dispositions constructives et des matériauxparticuliers permettant de minimiser la transmission des vibrations à l’environnement.• le contrôle dit actif : le concept de contrôle actif des vibrations est tout autre : l’idée est cette fois-ci,de bloquer la micro-vibration en exerçant une vibration antagoniste créée artificiellement avec despropriétés en opposition, à tout instant, relativement à la vibration indésirable, pour rendre nulleleur somme.L’industrie spatiale aborde cette problématique en plaçant des isolateurs en élastomère au voisinage dechaque source de micro-vibrations. Cette solution, qui a fait ses preuves puisqu’elle équipe actuelle-ment nombre de satellites en orbite, permet de rejeter nombre de micro-vibrations. Malheureusement,la demande de plus en plus importante de grande stabilité de la ligne de visée pour les futures missionsd’observation terrestres telles que les missions GAIA rend l’approche passive insuffisante.L’ESA et Airbus Defence and Space, ont donc collaborer conjointement avec l’équipe ARIA au travers decette thèse, dans des travaux de recherche dans le domaine du contrôle actif pour palier ces problèmes.L’objectif visé est de coupler les approches passives et actives afin de rejeter à la fois les micro-vibrations enhautes fréquences (approche passive existant) et en basses fréquences (approche active objet des travauxde la thèse)

Next generation satellite missions will have to meet extremely challenging pointing stability requirements. Even low levels of vibration can introduce enough jitter in the optical elements to cause a significant reduction in image quality. The success of these projects is therefore constrained by the ability of on-board vibration isolation and optical control techniques to keep stable the structural elements of the spacecraft in the presence of external and internal disturbances.In this context, the research work presented in this thesis combines the expertise of the European Space Agency (ESA), the industry (Airbus Defence and Space) and the IMS laboratory (laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système) with the aim of developing new generation of robust microvibration isolation systems for future space observation missions. More precisely, the thesis presents the development of an Integrated Modeling, Control and Analysis framework in which to conduct advanced studies related to reaction wheel microvibration mitigation.The thesis builds upon the previous research conducted by Airbus Defence and Space and ESA on the use of mixed active/passive microvibration mitigation techniques and provides a complete methodology for the uncertainty modeling, robust control system design and worst-case analysis of such systems for a typical satellite observation mission. It is shown how disturbances produced by mechanical spinning devices such as reaction wheels can be significantly attenuated in order to improve the pointing stability of the spacecraft even in the presence of model uncertainty and other nonlinear phenomenon.Finally, the work introduces a new disturbance model for the multi harmonic perturbation spectrum produced by spinning reaction wheels that is suitable for both controller synthesis and worst-case analysis using modern robust control tools. This model is exploited to provide new ways of simulating the image distortions induced by such disturbances.