Optimisation pour les communications optiques dans les systèmes d’observation de la Terre

Earth observation systems optimization for free-space optical communications

• Auteur / Autrice : Mikael Capelle
• Direction : Marie-José Huguet, Nicolas Jozefowiez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 11/09/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Jean-Charles Billaut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-José Huguet, Nicolas Jozefowiez, Olivier Peton, Sophie Demassey, François Clautiaux, Cedric Pralet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Peton, Sophie Demassey

Mots clés

Mots clés contrôlés

SPOT (satellites de télédétection)

Télécommunications optiques

Optimisation combinatoire

Mots clés libres

Optimisation Combinatoire

Observation Spatiale

Communications Optiques

Combinatorial Optimization

Spatial Imagery

Free-Space Optical Communications

Résumé

Depuis plusieurs années, les satellites sont utilisés pour explorer, surveiller et photographier la Terre depuis l’espace. Ces satellites prennent un nombre croissant d’images avec une résolution de plus en plus de plus élevée, générant ainsi de gros volumes de données qui doivent être envoyés vers la Terre. Afin de transférer de telles quantités de données, de nouvelles technologies de communication sont étudiées. Parmi elles, les liaisons optiques en espace libre sont considérées aujourd’hui comme une alternative intéressante aux technologies actuelles basées sur les radio-fréquences. Avec des débits bien supérieurs à ceux actuels, les liaisons optiques sont capables de transférer d’important volumes de données journaliers en à peine quelques minutes. Cependant, les liaisons optiques sont fortement perturbées par les turbulences atmosphériques et, en particulier, les nuages. Afin de limiter l’impact de la couverture nuageuse, il est nécessaire de créer des réseaux de stations sol optiques efficacement réparties dans le monde. De plus, les prévisions météorologiques n’étant pas exactes, des procédures opérationnelles doivent être établies afin de pouvoir planifier les transferts d’images depuis le satellite vers la Terre, en prenant en compte les incertitudes liées aux nuages et aux prévisions de couverture nuageuse. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’utilisation de communications optiques pour la télémétrie image. Dans un premier temps, nous considérons le problème de la création de réseaux terrestres de stations optiques prenant en compte l’impact des nuages. Nous résolvons ce problème en combinant un algorithme de programmation dynamique avec un algorithme de type branch-and-bound. Dans un second temps, nous nous intéressons au problème de planification des transferts d’images d’un point de vue opérationnel, en prenant en compte les incertitudes sur les volumes des images acquises (dues à la compression bord) et celles liées aux communications optiques. Nous proposons une approche flexible où le processus de décision est partagé entre le système sol (centre mission) et le système à bord du satellite.

For many years, satellites have been used to explore, analyse and monitor Earth from space. Nowadays, low-earth orbiting satellites are taking a steadily increasing number of pictures, with higher and higher precision, thus gen- erating huge volumes of data that needs to be downloaded. In order to manage such amount of data, new communication technologies are investigated. In this context, free-space optical communications are seen as a key alternative to current radio-frequency ones. With their orders of magnitude higher data rates, free-space optical communications could be able to download daily acquisition volumes in a matter of minutes. Unfortunately, optical communications are strongly impacted by atmospheric turbulence and clouds. In order to cope with the latter, it is necessary to design efficient distributed networks of optical ground stations. Furthermore, since weather forecasts are imperfect, custom operational procedures should be es- tablished to schedule the downloads of acquisitions using optical communications to take into account uncertainties regarding clouds. In this thesis, we investigate the use of free-space optical communications for image telemetry. We first consider the problem of designing efficient networks of optical ground stations taking into account the impact of clouds. We solve this problem using a combination of a dy- namic programming algorithm and a branch-and-bound algorithm. Then, we look at the operational problem of planning downloads of acquisitions under download channel and image volume uncertainties. We propose a flexible approach where the decision process is shared between ground and on-board systems.