Fiabilité de l'architecture réseau des systèmes spatiaux distribués sur essaims de nanosatellites

Network architecture reliability of nanosatellite swarms-based distributed space systems

• Auteur / Autrice : Evelyne Akopyan
• Direction : Riadh Dhaou, Emmanuel Lochin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 18/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Mathématiques, Informatique, Télécommunications de Toulouse
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....) - Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Marcelo Dias De Amorim
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Riadh Dhaou, Emmanuel Lochin, Nathalie Mitton, Razvan Stanica, Isabelle Guérin-Lassous
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nathalie Mitton, Razvan Stanica

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fiabilité

Nanosatellites

Systèmes à paramètres répartis

Mots clés libres

Architecture

Essaim

Système spatial distribué

Fiabilité

Robustesse

Résilience

Architecture

Swarm

Distributed space system

Reliability

Robustness

Resilience

Résumé

Le domaine de l’observation de l’Espace s’intéresse de près aux signaux très basse fréquence, car ils fournissent d’importantes informations quant à la naissance et aux premiers jours de l’Univers. A ce jour, les interféromètres observant ces signaux se situent à la surface de la Terre, dans des zones arides. Malheureusement, ces signaux sont très sensibles aux interférences terrestres ainsi qu’à l’ionosphère, et sont donc difficilement observables. Une solution à ce problème serait d’observer les signaux directement depuis l’Espace, en déployant un essaim de nanosatellites en orbite autour de la Lune. Cet essaim constitue un Système Spatial Distribué (DSS), fonctionnant en tant qu'interféromètre, dont l’orbite lunaire le préserve des interférences terrestres et de l’ionosphère. Cependant, la configuration de l’essaim de nanosatellites en interféromètre spatial est un défi de taille en termes de communication, notamment en raison de l’absence d’infrastructure dans l’Espace et du volume de données d’observation à propager au sein du système. L’objectif de la thèse est donc de définir une configuration d’architecture fiable, répondant aux contraintes conjointes d’un réseau MANET et d’un système distribué. La thèse commence par caractériser le réseau de l’essaim de nanosatellites et met en avant sa forte hétérogénéité. Ensuite, elle propose des algorithmes permettant de répartir équitablement la charge du réseau, en se basant sur des techniques de division de graphe, et compare les performances de ces algorithmes sur des critères d'équité. Enfin, elle évalue la sensibilité du système aux pannes en termes de robustesse (résistance aux pannes) et de résilience (maintien du fonctionnement en présence de pannes) et étudie l'impact de la division de graphe sur la fiabilité globale de l'essaim. Les algorithmes de division développés dans cette thèse devront garantir la Qualité de Service (QoS) essentielle au bon fonctionnement d'un interféromètre spatial. Pour atteindre cet objectif, des solutions de routage pertinentes devront être minutieusement étudiées et intégrées, afin de s'assurer qu'elles répondent aux exigences strictes de performance et de fiabilité de cette application avancée.

The study of the low-frequency range is essential for Deep Space observation, as it extracts precious information from Dark Ages signals, which are signatures of the very early Universe. To this day, the majority of low-frequency radio interferometers are deployed in desertic regions on the surface of the Earth. However, these signals are easily distorted by radio-frequency interferences as well as the ionosphere, making them hardly observable when they are not completely masked. One solution to this problem would be to observe the low-frequency signals directly from Space, by deploying a nanosatellite swarm in orbit around the Moon. This swarm is defined as a Distributed Space System (DSS) operating as an interferometer, while being shielded by the Moon from terrestrial interferences and ionospheric distortions. However, the configuration of a nanosatellite swarm as a space observatory proves to be a challenging problem in terms of communication, mostly because of the lack of external infrastructure in Space, and the amount of observation data to propagate within the swarm. Thus, the objective of the thesis is to define a reliable network architecture that would comply with the requirements of a MANET and a distributed system, simultaneously. This thesis starts by characterizing the network of the nanosatellite swarm and highlights its strong heterogeneity. Then, it introduces a set of algorithms, based on graph division, to fairly distribute the network load among the swarm, and compares their performance in terms of fairness. Finally, it assesses the fault tolerance of the system in terms of robustness (capacity to resist faults) and resilience (capacity to maintain functionality when faults occur) and evaluates the impact of graph division on the overall reliability of the swarm. The division algorithms developped in this thesis should ensure the Quality of Service (QoS) necessary to the proper functioning of a Space interferometer. To this end, relevant routing protocols should be thoroughly studied and integrated, in order to meet the strict requirements of this advanced application in terms of performance and reliability.