Estimation de paramètres physiques de modèles dynamiques pour le contrôle d’attitude de satellites à partir de données orbitales

In-Orbit Data Driven Parameter Estimation for Attitude Control of Satellites

• Auteur / Autrice : Carlo Nainer
• Direction : Marion Gilson, Hugues Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 25/05/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en automatique (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Bombois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Gilson, Hugues Garnier, Marco Lovera, Jean-Philippe Noël, Hélène Evain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Bombois, Marco Lovera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels -- Systèmes de commande

Identification des systèmes

Traitement du signal

Monte-Carlo, Méthode de

Plan d'expérience

Estimation de paramètres

Mots clés libres

Satellites

Estimation des paramètres

Plan d’expérience

Variable instrumentale

Modèle boîte grise

Traitement du signal

Satellites

Parameter Estimation

Experiment Design

Instrumental Variable

Greybox Model

Signal Processing

Résumé

Cette thèse porte sur la détermination des paramètres du modèle dynamique d’un satellite pour son contrôle à l’aide de la théorie de l’identification des systèmes. Plusieurs algorithmes d’estimation paramétrique sont développés et adaptés à différentes configurations de mesures de données (gyroscope ou star tracker). Ces algorithmes permettent d’estimer la matrice d’inertie du satellite ainsi que l’alignement des actionneurs à partir des données de télémétrie. Pour réaliser cette estimation, la méthode de variable instrumentale est privilégiée. Des filtres sont élaborés afin d’améliorer significativement la précision de l’estimation, et ce même en présence de bruits de capteur et de perturbations au niveau des actionneurs. Les performances des algorithmes proposes sont analysées et validées à l’aide de simulations Monte Carlo à partir de données issues d’un simulateur haute-fidélité du CNES. La deuxième contribution concerne l’optimisation de la richesse des manœuvres réalisées par le satellite tout en respectant les contraintes physiques du système. L’efficacité des nouvelles trajectoires proposées est démontrée d’une part via des simulations de Monte Carlo et d’autre part à l’aide de tests effectués lors d’un vol zéro gravité en avion.

The system identification for satellite attitude control is investigated in this thesis. Several parameter estimation algorithms are developed and adapted to the different types of sensor (gyroscope or star tracker). These algorithms allow to estimate, from the telemetry data, the satellite inertia matrix as well as the actuator alignments. For these estimation algorithms, an instrumental variable approach is considered. Filters are designed in order to significantly improve the accuracy and precision of the estimates, even in presence of sensor noise and disturbance torques. The performances of the proposed algorithms are analyzed and validated via Monte Carlo simulations using data from a high-fidelity simulator from CNES. The second main contribution concerns the optimization of maneuvers to improve the information content in the data, while respecting the physical constraints of the satellite. The effectiveness of the generated trajectory is evaluated both via Monte Carlo simulations and through real experiments in a zero-gravity environment.