No description available.

<p dir="ltr">Deep-space extraterrestrial missions require operating, supporting, and maintaining complex habitat systems at light minutes from Earth.</p><p dir="ltr">These habitation systems operate in harsh, unforgiving environments, will be sparsely crewed, and must be more autonomous than current space habitats, as communication delays will severely constrain Earth-based support.</p><p dir="ltr">Long-duration missions, limited knowledge of the extraterrestrial environment, and the need for self-sufficiency make these habitats vulnerable to a wide range of risks and failures, many of which are impossible to premeditate.</p><p dir="ltr">Therefore, it is necessary to design these systems to be resilient to faults and failures, thoughtfully designed to be situationally aware of their operational state and engage control mechanisms that maintain safe operations when migrating towards unsafe regions of operation.</p><p dir="ltr">Resilience-oriented design of such systems requires a holistic systems approach that represents the system's dynamic behavior, its control-oriented behaviors, and the interactions between them as it navigates through regions of safe and unsafe operations.</p><p dir="ltr">Only through this integrated approach can we fully understand how the system will behave under various conditions and design controls to prevent performance loss and ensure resilient operations.</p><p dir="ltr">Systems health management (SHM) is a key component for the resilience-oriented design of extraterrestrial habitats.</p><p dir="ltr">SHM capabilities enable intelligent autonomous control capabilities that can:</p><p dir="ltr">a) sense, diagnose, and isolate the root causes of anomalies,</p><p dir="ltr">b) predict how the system's behavior may evolve, and</p><p dir="ltr">c) select and execute recovery actions to restore system performance when appropriate.</p><p dir="ltr">Modern SHM technologies increasingly rely on intelligent autonomous control capabilities to manage system health and adapt behavior to maintain system performance.</p><p dir="ltr">This is achieved through complex nonlinear informational dependencies and control feedback loops that are difficult to design and verify using traditional risk assessment and resilience engineering methods.</p><p dir="ltr">This research contributes to enhancing the conceptual and preliminary design phases for developing resilient complex systems with embedded intelligent control-oriented behaviors.</p><p dir="ltr">It presents the required systems engineering tools and frameworks, enabling us to study the dynamic behavior of systems as they approach and recover from unsafe operations.</p><p dir="ltr">Further, it demonstrates how these tools and frameworks can quantify and gain insights into system resilience and support engineering decisions.</p><p dir="ltr">The work is contextualized within the broader systems engineering approach for designing complex, resilient extraterrestrial habitation systems.</p>

Les transmissions numériques par satellite sont largement utilisées dans plusieurs domaines allant des applications commerciales en orbites terrestres aux missions d'exploration scientifiques en espace lointain (Deep Space). Ces systèmes de transmission fonctionnent sur des très grandes distances et ils disposent des ressources énergétiques très limitées. Cela se traduit par un très faible rapport signal à bruit au niveau de la station de réception terrestre. Une possibilité d'établir une liaison fiable dans ces conditions très défavorables, réside dans l'utilisation de codes correcteurs d'erreurs puissants tels que les Turbo codes et le LDPC. Cependant, les gains de codage sont conditionnés par le bon fonctionnement des étages de la démodulation cohérente en amont, notamment l'étage de synchronisation. L'opération de synchronisation consiste à estimer et compenser le décalage en phase et en fréquence entre le signal reçu et l'oscillateur local du récepteur. Ces décalages sont généralement provoqués par des imperfections matérielles et le phénomène d'effet Doppler. A très faible rapport signal à bruit, les systèmes de synchronisation actuels se trouvent limités et incapables d'assurer les performances requises. Notre objectif est de fiabiliser l'étage de synchronisation du récepteur dans des conditions très difficiles de faible rapport signal sur bruit, d'effet Doppler conséquent avec prise en compte d'un phénomène d'accélération (Doppler rate) et d'une transmission sans pilote. Cette thèse CIFRE traite du problème de la synchronisation porteuse pour la voie descendante d'une transmission Deep Space. Après la réalisation d'une étude de l'état de l'art des techniques de synchronisation, nous avons retenu les boucles à verrouillage de phase (PLL: Phase Locked Loop). Dans un contexte industriel, les PLL offrent le meilleur compromis entre complexité d'implémentation et performances. Plusieurs détecteurs de phase basés le critère du maximum de vraisemblance ont été considérés et modélisés par leurs courbes caractéristiques. En se basant sur les modèles équivalents, nous avons développé une nouvelle étude de la phase d'acquisition non-linéaire d'une PLL du deuxième ordre avec un détecteur de phase semi-sinusoïdal. La deuxième partie de la thèse a été consacrée à l'étude des techniques de combinaison d'antennes. Ces méthodes visent à exploiter la diversité spatiale et améliorer le bilan de liaison de la chaîne de transmission tout en offrant une flexibilité de conception ainsi qu'une réduction considérable du coût d'installation. A l'issue de cette partie, nous avons proposé un nouveau schéma de combinaison d'antenne qui améliore le seuil de fonctionnement des systèmes existants. / In deep space communication systems, the long distance between the spacecraft and the ground station along with the limited capacity of the on-board power generator result a very low signal to noise ratio (SNR). However, such transmission still possible by using near Shannon limit error correction codes (Turbo code and LDPC code). Nevertheless, to take advantage of this coding gain, the coherent demodulation is mandatory, and the carrier phase synchronization must be reliable at more restrictive SNR. At very low SNR, current synchronization systems are limited and unable to provide the required performances. Our goal is to improve the reliability of the receiver synchronization stage under very difficult conditions of a very low SNR, a variable Doppler effect (Doppler rate) and a blind transmission. This thesis deals with the problem of carrier phase synchronization for the downlink of a Deep Space transmission. After the study of the existing solutions, we selected the phase locked loop (Phase Locked Loop: PLL). In an industrial context, PLL offers the best trade-off between complexity and performance. Several phase detectors based on the maximum likelihood criterion were considered and characterized by their S-curves. Based on the equivalent models, we have developed a new study of the non-linear acquisition phase of a second-order PLL with a semi-sinusoidal phase error detector. The second part of the thesis was dedicated to the antennas combining techniques. These methods aim to improve the link budget of the transmission and offer more flexibility. At the end of this part, we proposed a new antennas combining scheme that improves the operating threshold of existing systems.

L’étoile laser polychromatique (ELP) fournit la référence de phase à une optique adaptative (OA)pour corriger les surfaces d’onde turbulentes, y compris leur pente. L’ELP, générée dans la mésosphère parune excitation résonnante à deux photons du sodium, repose sur la déviation chromatique des images. Uneimagerie dans le visible devient possible, et est indispensable pour 80% des programmes astrophysiquesprioritaires de l'E-ELT.L’ELP requiert un écart-type des mesures de position 26 fois inférieur au cas classique. Cela m’a amené àétudier le projecteur laser interférométrique. J’ai mis au point un correcteur de base polychromatique pourégaliser la période des franges et un correcteur de phase pour compenser la réfraction atmosphérique. J’aiétudié l'optique de mesure des franges, et de séparation entre l'ELP et l’objet observé.La précision requise m’a conduit à étudier dans quelles conditions l’algorithme du maximum devraisemblance tend vers la borne de Cramér-Rao.J’ai également développé un modèle numérique de bout en bout pour simuler l’ELP depuis les lasersjusqu’à la mesure du rapport de Strehl. Je montre que pour un VLT, les rapports de Strehl sont supérieurs à40% à 500 nm sans étoile de référence, en prenant une OA qui aurait donné 50% instantané (Strehl depente : 80%). Une approche analytique valide ces résultats.Enfin, j’aborde l’application de l’ELP aux télécommunications interplanétaires et à la destruction des débrisorbitaux. / The polychromatic laser guide star (PLGS) provides adaptive optics (AO) with a phase referenceto correct corrugated wavefronts, including tip tilt. It relies on the chromatic dispersion of light returnedfrom the 2-photon resonant excitation of sodium in the mesosphere. Diffraction limited imaging in thevisible then becomes possible. This is mandatory for 80% of the prominent astrophysical cases for the EELT.A PLGS requires standard deviations of position measurements 26 times less than in classical cases. Thus Ihave studied the interferometric laser projector. I have designed a polychromatic base corrector to equalizethe fringe periods, a phase corrector to compensate atmospheric refraction and the optics for fringemeasurements and for keeping apart the PLGS from the science target images.The required accuracy leads me to study how the maximum likelihood algorithm approaches the Cramer-Rao bound.I have written an end-to-end code for numerical simulations of the PLGS, from the lasers to the Strehlmeasurement. I get for the VLT Strehl ratios larger than 40% at 500 nm if one uses an AO providing us a50% instantaneous Strehl (tip tilt Strehl : 80%). An analytical model validates these results.Finally I address the application of the PLGS to deep space communications and to space debris clearing.

This dissertation revisits, develops, and documents methods that can be used to calibrate spaceborne microwave radiometers once in orbit. The on-orbit calibration methods discussed within this dissertation can provide accurate and early results by utilizing Calibration Attitude Maneuvers (CAM), which encompasses Deep Space Calibration (DSC) and a new use of the Second Stokes (SS) analysis that can provide early and much needed insight on the performance of the instrument. This dissertation describes pre-existing and new methods of using DSC maneuvers as well as a simplified use of the SS procedure. Over TRMM's 17 years of operation it has provided invaluable data and has performed multiple CAMs over its lifetime. These maneuvers are analyzed to implement on-orbit calibration procedures that will be applied for future missions. In addition, this research focuses on the radiometric calibration of TMI that will be incorporated in the final processing (Archive/Legacy of the NASA TMI 1B11 brightness temperature data product). This is of importance since TMI's 17-year sensor data record must be vetted of all known calibration errors so to provide the final stable data for science users, specifically, climatological data records.

<p> </p> <p>There are several challenges that occur when creating extraterrestrial structures that are not relevant to terrestrial applications. The Resilient Extra-Terrestrial Habitat Institute is a NASA funded research project focused on developing resilient lunar habitats. In order to develop these deep-space structures, many considerations have to be made to account for scenarios that are not relevant to Earth. Such scenarios include meteorite impacts, moonquakes, radiation, and moon dust accumulation. To observe possible consequences of these disruptions, RETHi established a modular coupled virtual testbed to monitor the effects of different deep-space related situations. MCVT is a computer model of a lunar habitat that uses a system-of-systems approach to examine the impacts of these scenarios. Currently, MCVT is developing methods to confront these extraterrestrial situations by utilizing robotic agents and expanding upon a variety of safety responses to increase resiliency.  RETHi also utilizes a cyber physical testbed to run cyber-physical experiments to validate the approaches used in MCVT. </p> <p><br></p> <p>One of the numerous models in MCVT is the Habitat Interior Environment Model. HIEM monitors the interior environment of the lunar structure using physics-based calculations and inputs from its surroundings. There are three main disturbances that directly affect the interior environment—fire within the dome, meteorite impacts, and airlock failure. Such scenarios either increase or decrease the temperature and pressure. This data is then forwarded to other subsystems for further evaluation. HIEM can be remodeled to fit the pressure box in the cyber physical testbed. By doing so, it is then possible to validate the pressure leakage calculations used in HIEM using experimental data. HIEM is specifically designed to the lunar habitat currently in development; however, the model can be refitted to a variety of applications such as terrestrial, aerospace, space, and marine. </p>

Dizertační práce je zaměřena na softwarově definované přijímače určené k úzkopásmové družicové komunikaci. Komunikační kanály družicových spojů zahrnujících komunikaci s hlubokým vesmírem jsou zatíženy vysokými úrovněmi šumu, typicky modelovaného AWGN, a silným Dopplerovým posuvem signálu způsobeným mimořádnou rychlostí pohybu objektu. Dizertační práce představuje možné postupy řešení výpočetně efektivní digitální downkonverze úzkopásmových signálů a systému odhadu kmitočtu nosné úzkopásmových signálů zatížených Dopplerovým posuvem v řádu násobků šířky pásma signálu. Popis navrhovaných algoritmů zahrnuje analytický postup jejich vývoje a tam, kde je to možné, i analytické hodnocení jejich chování. Algoritmy jsou modelovány v prostředí MATLAB Simulink a tyto modely jsou využity pro ověření vlastností simulacemi. Modely byly také využity k experimentálním testům na reálném signálu přijatém z družice PSAT v laboratoři experimentálních družic na ústavu radioelektroniky.

Diplomová práce se zabývá možnosti kalibrace experimentálního testovacího zařízení. Zejména se věnuje návrhu termálního matematického modelu popisujícího tepelné procesy uvnitř zařízení v průběhu měření tepelné vodivosti vzorku. První část práce je věnována seznámení se s testovacím zařízením, jeho limity a principem měření. Popisuje řešení třetí verze testovací komory, společně s nezbytnými úpravami, provedenými za účelem zajištění předepsaných simulačních podmínek. Zmiňuje také potřebu a důvody kalibrace. Druhá část je především zaměřená na návrh kalibračních vzorků a termálního modelu. Uvádí definované požadavky a konečné vlastnosti vyrobených vzorků. Matematický model prezentuje postup výpočtu zjištěných tepelných ztrát a poukazuje na možnosti jejich zpřesnění. Testování kalibračních vzorků bylo provedeno na nově zprovozněné třetí verzi testovací komory. Naměřené výsledky poslouží k ladění termálního modelu, nezbytného k dokončení kalibračního procesu, který umožní přikročení k další fázi testování v experimentální komoře.