Détermination de la sensibilité thermique de l'expérience MICROSCOPE pour le test du principe d'équivalence

Thermal sensitivity determination of MICROSCOPE experiment for the Equivalence principle test.

• Auteur / Autrice : Océane Dhuicque
• Direction : Gilles Métris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Angonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Métris, François Vernotte, Thierry Fusco, Serge Reynaud, Elise Bellouard, Pierre Exertier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Vernotte, Thierry Fusco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espace extra-atmosphérique -- Exploration

Principe d'équivalence (physique)

Mots clés libres

Mission spatiale

Analyse de données

Accéléromètre

Principe d'Equivalence

Gravitation

Accelerometer

Data analysis

Space Mission

Gravitation

Equivalence Principle

Résumé

La mission MICROSCOPE a pour ambition la mise à l'épreuve du principe d'équivalence (PE) et ce avec une précision inégalée de 10^{-15}, ce qui représente une avancée de deux ordres de grandeur par rapport aux précédentes expériences. Le satellite MICROSCOPE, lancé le 25 avril 2016, a parcouru des milliers d'orbites en recueillant les mesures permettant d'atteindre cet objectif. L'instrument à bord, développé par l'ONERA, fournit les mesures d'accélérations de deux paires de masses qui sont comparées en vue de tester l'identité de leurs chutes libres, conséquence directe du PE. Ces mesures sont également utilisées à bord en temps réel par le système de contrôle d'attitude et d'orbite du satellite. Ce système calcule les poussées nécessaires à appliquer au satellite pour le maintenir dans une trajectoire de chute libre. C'est une mission conçue comme un laboratoire dans l'espace avec la possibilité de modifier les conditions expérimentales comme le spin du satellite, son accélération, sa température ou le centrage des masses. Le bon fonctionnement du satellite et de l'instrument ont été testés en orbite jusqu'en novembre 2016. Ensuite plusieurs mois de mesures scientifiques ont suivi jusqu'à fin 2018.Le but de cette thèse consiste à utiliser les données de vol collectées pour améliorer ou modifier les modèles instrumentaux d'une part, les modèles de sources d'erreur de la mission d'autre part. L'évaluation des performances et des erreurs systématiques, en particulier les perturbations thermiques représentant 94% des erreurs systématiques dans une première publication en 2017, sont au cœur de ce travail de thèse.Afin d’améliorer les résultats de la mission, le comportement thermique de l’instrument a été étudié. Pour ce faire, 13 sessions spécialement conçues pour l'évaluation du modèle thermique ont été jouées lors de l’expérience. Elles consistent en l’introduction d’un stimuli thermique à une fréquence f_{sti} proche de la fréquence du test du PE f_{EP}. Le but est d’observer l’impact de ce signal thermique sur l’accélération mesurée afin d'estimer la sensibilité thermique de l'instrument.Les méthodes employées consistent à analyser la corrélation des deux signaux dans les domaines temporel et fréquentiel. Après deux chapitres consacrés à la description de l'expérience et de son contexte, une première partie de ce travail consiste à estimer cette sensibilité thermique à la fréquence de stimuli f_{sti} et à ses harmoniques à l’aide d'un algorithme des moindres carrés. L’amplitude des variations de température est estimée afin d’en déduire l’impact de la systématique thermique sur la mesure d’accélération et donc sur le test du PE. Une seconde partie se focalise sur la dérive long-terme qui résulte des variations de température afin d’en estimer une sensibilité prise en compte sous forme d'un modèle polynomiale dans l'étude précédente. Enfin une dernière partie cherche à mettre en évidence l’origine de ces perturbations thermiques. Ces méthodes d'estimation ont permis d'améliorer d'un facteur 10 la systématique thermique initialement estimé dans la publication de 2017.

The MICROSCOPE mission aims to test the Equivalence Principle (EP) with an unprecedented accuracy of about 10^{-15} on the Eötvös parameter, which corresponds to an improvement of 2 more orders of magnitude than previous experiments.The MICROSCOPE satellite, launched on April 25th 2016, has collected thousands of data in order to reach this goal.The on-board instrument, T-SAGE, developed by ONERA, provides the acceleration measurements of two pairs of masses and compares them to test the EP. These measurements are also used in real time by the satellite’s attitude and orbit control system. This system calculates the necessary thrusts to apply to the satellite to keep it in free fall. It is a mission designed as a laboratory in space with the capacity to modify the experimental conditions (satellite spinning, acceleration of the satellite, temperature, centering of the masses). The satellite and its instruments were tested in orbit until November 2016. Thus, until the end of 2018, scientific measurements were performed. The thesis objective is to improve or modify the instrumental models with the help of all collected data. The evaluation of performances and systematic errors is at the heart of the PhD’s topic, particularly the thermal systematic, which represents 94% of the systematic errors.In order to improve EP test results, the thermal behavior of the instrument was studied. To do so, 13 sessions dedicated to the thermal behavior of the instrument were played during the experiment. These sessions consist in introducing a periodic thermal stimulus at a frequency f_{sti} near the EP test frequency f_{EP}. The goal is to evaluate the impact of this stimulus on acceleration and to estimate the thermal sensitivity of the instrument.The analysis methods used focus on the evaluation of both signals’ correlation (acceleration and temperature) in the time and frequency domain.The first part of this work consists in the estimation of the thermal sensitivity at a stimulus frequency f_{sti} and its harmonics with a Least Square algorithm. The estimation of the thermal variations amplitudes allows to evaluate the impact of the temperature variations on the acceleration measurement and on the EP test. A second part focuses on the drift thermal sensitivity due to the thermal variations. The goal is to obtain a drift thermal sensitivity which is not considered in the previous analysis. A last part consists in studying the origins of the thermal systematic. These methods allow to improve by a factor 10 the thermal systematic estimated in 2017.