Méthodes d'estimation robustes pour navigation relative entre deux satellites

Robust estimation methods for relative navigation of two satellites

• Auteur / Autrice : Thibaud Picard
• Direction : Dalil Ichalal
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IBISC - Informatique, BioInformatique, Systèmes Complexes
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : SIAM : Signal, Image, AutoMatique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université d'Évry Val d'Essonne

Mots clés

Mots clés libres

Observateurs par intervalles

Rendez-vous spatial

Zonotopes

Méthodes ensemblistes

Estimation relative

Rendez-vous mission

Set estimation

Interval observers

Zonotopes

Relative estimation

Résumé

Les rendez-vous coopératifs sont dans l'ensemble assez bien maîtrisés, sous réserve de la qualité des capteurs et de la performance des moyens de communication. Dans le cas de rendez-vous non coopératifs, ou dans le cas d'une coopérativité avec des capteurs de qualité moyenne, ou possiblement défaillants, l'estimation de pose relative devient plus complexe [6,7]. Le cadre applicatif de cette thèse sera une approche sans amarrage (de type diagnostic) entre un satellite chasseur et un satellite cible non coopératif. Nous nous focaliserons sur la phase finale de l'approche (c'est-à-dire infra kilométrique), bien que la phase d'approche à grande distance peut également nécessiter l'utilisation de méthodes relatives (surtout si les fréquences de revisite avec la station sol sont faibles). Dans une telle application, une des principales problématiques est la réalisation de manoeuvres utilisant une commande basée sur une estimation relative de la pose et garantissant l'absence de collision entre les deux satellites. Dans cette thèse, deux approches ensemblistes alternatives aux intervalles sont envisagées. D'une part, il s'agira d'étudier une approche d'estimation basée sur l'utilisation d'ellipsoïdes, qui présentent des caractéristiques particulièrement adaptées à ce type de système car de forme non dépendante des axes du repère d'étude [1,4]. D'autre part, il s'agira d'étudier l'apport des zonotopes, un zonotope pouvant être défini comme l'image du cube unité par une transformation affine. Un tel objet présente des caractéristiques permettant de limiter le pessimisme de l'estimation obtenue par des intervalles moyennant l'utilisation de dimensions supplémentaires lors de la phase de correction, suivi de réduction de dimension afin d'éviter une explosion de la complexité calculatoire [1,5]. Notons que les incertitudes de navigation propre au satellite chasseur, bien que pouvant être négligées dans un premier temps, devront ensuite être intégrées, car certaines variables d'état du chasseur interviennent directement dans les équations de la dynamique relative. Un autre aspect qui sera traité dans cette thèse sera la détection de défaut. En effet, le caractère garantit de l'approche ensembliste reposant sur la connaissance des bornes d'erreur des capteurs, cette approche sera défaillante dès qu'un défaut apparaît, puisque celui- ci aura pour effet d'entacher la mesure d'une erreur qui sort potentiellement des bornes attendues [2,5,8,9]. Enfin, une commande tolérante aux défauts capteurs, et garantissant une absence de collision sera développée pour effectuer des manoeuvres prédéfinies (pour un diagnostic complet de la cible, par exemple). Les estimateurs développés, une fois validées par simulation, pourront être éprouvés sur des données réelles. En effet, ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet Flylab, projet dont l'objet, est le lancement de deux satellites courant 2024, et dont, entre autres missions scientifiques, le rapprochement non coopératif d'un satellite de l'autre est prévu.

Cooperative meetings are on the whole quite well controlled, subject to the quality of the sensors and the performance of the means of communication. In the case of non-cooperative rendezvous, or in the case of cooperativity with sensors of average quality, or possibly faulty, the relative pose estimation becomes more complex [6,7]. The application framework of this thesis will be a dockless approach (diagnostic type) between a hunter satellite and a non-cooperative target satellite. We will focus on the final phase of the approach (i.e. infra kilometer), although the long-distance approach phase may also require the use of relative methods (especially if the revisit frequencies with the ground station are weak). In such an application, one of the main problems is the realization of maneuvers using a command based on a relative estimation of the pose and guaranteeing the absence of collision between the two satellites. In this thesis, two alternative set approaches to intervals are considered. On the one hand, it will be a question of studying an approach of estimation based on the use of ellipsoids, which present characteristics particularly adapted to this type of system because of form not dependent on the axes of the reference of study [ 1.4]. On the other hand, it will be a question of studying the contribution of zonotopes, a zonotope can be defined as the image of the unit cube by an affine transformation. Such an object has characteristics making it possible to limit the pessimism of the estimate obtained by intervals through the use of additional dimensions during the correction phase, followed by dimension reduction in order to avoid an explosion of complexity.