Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les travaux menés dans cette thèse se partagent entre la Lune et Mars, cibles privilégiées pour les missions d'exploration spatiales. La première partie porte sur l'instrument Interference Imaging Spectrometer (IIM) qui était à bord du satellite lunaire chinois Chang’e-1. Une méthode inédite utilisant l'angle spectrale et le concept de distance Euclidienne, et visant à supprimer les mauvais pixels de IIM, est proposée. Une nouvelle procédure de calibration est utilisée, et l'inter-étalonnage des données IIM avec des données télescopiques est amélioré. Ce nouveau jeu de données permet, après inversion, d'estimer l'abondance de FeO dans le sol lunaire. Les valeurs trouvées sont comparables aux observations du satellite américain Clementine et fournissent une nouvelle référence pour les études lunaires à venir. La seconde partie est consacrée à la modélisation du phénomène de tempêtes de poussière-fusée ("rocket dust storms") générées par des mouvements convectifs meso-echelle liés au chauffage solaire des poussières. L'objectif est de reproduire numériquement les couches de poussières détachées découvertes par l'instrument Mars Climate Sounder (NASA) dans le Modèle de Climat Global (GCM) du LMD. Les simulations montrent que, durant la saison des tempêtes de poussières (printemps et été austral), ce phénomène permet d'expliquer les couches détachées, et de reproduire les observations. Cependant, durant l'autre partie de l'année où il y a très peu de tempêtes de poussières, il semble nécessaire d'inclure dans le GCM un autre processus impliquant les vents de pente, capable de réinjecter les poussières en altitude pour maintenir les couches détachées. / Moon and Mars have been the important targets for deep space missions. The studies in this thesis include two parts. The first part is concerning Chang’e-1 Interference Imaging Spectrometer (IIM) data preprocessing and global lunar FeO inversion. In order to better preprocess the IIM data, a new method using spectral angle and Euclidean distance for removing bad pixels has been proposed. A new in-flight calibration has been conducted. And cross calibration of IIM data by using the telescopic data is improved. The processed IIM data have also been used to inverse lunar FeO abundance. The IIM-derived FeO is comparable to Clementine FeO results, and can be an alternative dataset for Moon studies. The second part is concerning parameterizing rocket dust storms and daytime slope winds in LMD (Laboratoire de Météorologie Dynamique) Mars GCM (Global Climate Model) to reproduce the detached dust layers (DDLs) observed by Mars Climate Sounder (MCS) on Mars. The simulations by the GCM including rocket dust storm parameterization show that, during the Martian dusty seasons, the rocket dust storms are the key factors to explain the observed DDLs. The formation and evolution of GCM simulated DDLs are in agreement with those of MCS observation. Meanwhile, the simulation also suggests that the large variation of the DDLs’ altitudes in dusty season are contributed by the deep convection induced by rocket dust storms. The simulations by the GCM including daytime slope winds parameterization show that with the help of daytime slope winds, the GCM can reproduce the detached dust layers in Martian clear seasons, which cannot be simulated by the rocket dust storm process.

Les météoroïdes, issus de petits corps du système solaire produisent des phénomènes lumineux (flashs d'impact) lorsqu'ils percutent le sol de la Lune. Ces événements lumineux transitoires sont observables depuis le sol en utilisant des télescopes de taille moyenne (typiquement > 200 mm de diamètre) à l'aide des caméras CCD rapides de haute sensibilité. Dans cette thèse, nous décrivons la configuration instrumentale, la procédure d'observation et d'analyse qui a été implémentée à l'Observatoire Universitaire de l'Oukaimden pour l'observation régulière des flashs lunaires. Les premiers impacts lunaires observés et confirmés depuis un observatoire situé en Afrique et dans le monde arabe sont analysés dans ce manuscrit. Nous discutons les caractéristiques de cinq flashs et les paramètres physiques attribués aux impacteurs associés. Nous présentons une première estimation du flux d'impact à l'issue de cette phase de surveillance des impacts lunaires depuis nos observatoires. Nous présentons également le développement et le test d'une stratégie pour déterminer avec précision les coordonnées des impacts observés depuis la Terre. Cette précision de séléno-localisation pourra être utilisée au profit de futures missions sismologiques qui utiliseront les impacts météoritiques pour explorer l'intérieur lunaire. / Meteoroids, coming from small bodies of the solar system, produce luminous phenomena (impact flashes) when they strike the lunar surface. These transient light events are observable from the ground using medium-sized telescopes (typically> 200 mm in diameter) by using high-speed CCD cameras. In this thesis, we describe the instrumental configuration, observation and analysis procedure that was implemented at the Oukaimden Observatory for regular observation of lunar flashes. The first lunar impacts observed and confirmed from an observatory located in Africa and the Arab world are analyzed in this manuscript. We discuss the characteristics of five flashes and the physical parameters attributed to the associated impactors. We present an initial estimate of the impact flux from this first phase of monitoring lunar impacts from our observatories. We also present the development and testing of a strategy to accurately determine the coordinates of impacts observed from Earth. This precision of seleno-localization can be used for future seismological missions that will use meteoroid impacts to explore the lunar interior.

Cette thèse est consacrée à l'analyse des données multispectrales de la caméra infrarouge NIR de la sonde Clementine. La Lune est le seul corps planétaire pour lequel on dispose à la fois d'une vérité terrain (échantillons lunaires) et de données de télédétection globales non perturbées par une atmosphère. C'est donc le cas le plus favorable pour tester et valider des méthodes de télédétection, ces méthodes pouvant ensuite être extrapolées à d'autres corps du système solaire. Les données NIR, bien que dans le domaine public depuis 1995, n'avaient jamais été exploitées auparavant du fait de problèmes majeurs d'étalonnage. La première partie de ce travail a consisté à s'affranchir des problèmes d'étalonnage, donnant ainsi accès à des observations inédites couvrant la totalité de la surface lunaire. Ces observations ont ensuite été mises à profit pour aborder les problèmes de l'identification des minéraux et de l'extrapolation de la connaissance de quelques sites à l'ensemble du satellite. Des zones riches en olivine, minéral associé au manteau lunaire et rarement détecté en surface, ont été mises en évidence dans les régions des cratères Aristarchus et Copernicus. L'analyse systématique des propriétés spectrales et chimiques d'échantillons lunaires représentatifs, couplée aux données NIR, a ensuite permis de mettre en place une méthode de cartographie quantitative de la teneur en fer des sols observés, clarifiant ainsi le lien entre information spectrale et chimique. Cette méthode permet de discriminer entre les effets de composition et les effets d'altération de la surface suite aux impacts de micrométéorites et de particules du vent solaire. L'expérience acquise dans le cas lunaire est directement transposable à l'étude d'autres surfaces rocheuses sans atmosphère (cas de Mercure et des astéroïdes), et représente un premier pas vers le cas plus difficile de Mars (présence d'une atmosphère)

La mesure des flux de neutrons et de rayonnements gamma issus de l'interaction du rayonnement cosmique galactique avec les surfaces planétaires permet de contraindre la composition chimique des premières dizaines de centimètres de régolite. Deux angles d'approche de la spectroscopie neutron et gamma ont été abordés : le traitement des données et l'interprétation des résultats. Les études menées s'inscrivent dans le cadre de deux missions : le spectromètre neutron à bord de Mars Odyssey et le spectromètre gamma à bord de Selene. Une revue détaillée des opérations de réduction des données MONS est proposée. Le jeu de données résultant est utilisé pour déterminer la profondeur des dépôts d'hydrogène sous la surface martienne. Dans les régions dépourvues d'eau, les données neutron permettent de contraindre la concentration des éléments susceptibles d'interagir avec les neutrons. La confrontation de ces résultats avec ceux du spectromètre gamma à bord de Mars Odyssey permet d'éclairer le contexte géologique de la région de Central Elysium Planitia. Toutes ces problématiques martiennes sont suivies de l'étude des données gamma de Selene. Bien que seuls les traitements préliminaires aient été réalisés à ce jour, des cartes qualitatives des éléments majeurs (Fe, Ca, Si, Ti, Mg, K, Th, U) ont pu être extraites des données.

Le but de ce travail est de développer un outil d'aide à l'analyse de mission pour un satellite artificiel autour de la Lune. Nous développons tout d'abord une théorie analytique qui décrit suffisamment bien la dynamique du satellite lunaire : nous considérons les quatre perturbations majeures de natures différentes qui l'influencent, ainsi que leurs différents couplages. Les résultats sont obtenus sous forme fermée, sans aucun développement en série de l'excentricité ni de l'inclinaison de l'orbite du satellite : la solution s'applique donc à une large gamme de valeurs. Nous utilisons la méthode des Transformées de Lie pour moyenniser deux fois l'Hamiltonien du problème, dans des variables canoniques, ce qui permet d'intégrer des orbites avec un temps de calcul réduit d'un facteur environ 200 000. Grâce à cela, nous produisons des cartes inédites d'espaces de phase (a,i) qui permettent de sélectionner les paramètres orbitaux selon les besoins de la mission lunaire. De nombreuses vérifications analytiques par rapport à la littérature ont été réalisées, et se sont avérées concluantes; la qualité des deux moyennisations a également été vérifiée. Le logiciel développé est souple et permet un traitement automatisé; les intégrations sont automatiquement vérifiées. Nous avons aussi apporté quelques améliorations significatives au manipulateur algébrique des FUNDP, comme l'ajout de fractions symboliques. Par ailleurs, nous résolvons le problème zonal complet du satellite artificiel, étudions l'effet de C22 sur l'inclinaison critique ainsi que l'effet de la Terre sur les durées de vie orbitales limitées de certains satellites lunaires. The aim of this work is to develop a tool helpful to mission analysis of a lunar artificial satellite. We first develop an analytical theory which sufficiently well describes the dynamics of the lunar satellite : we consider the four main perturbations of various kind which influence it, together with their several coupling. The results are obtained in closed form, without any series expansion in eccentricity nor inclination of the orbit of the satellite : so the solution applies for a wide range of values. We use the Lie Transform method for averaging twice the Hamiltonian of the problem, in canonical variables, which allows to integrate orbits with a CPU time reduced by a factor of about 200 000. Thanks to that, we produce unpublished (a,i) phase space maps from which the orbital parameters can be selected on the basis of the needs of the lunar mission. Many conclusive analytical checks with the literature have been performed, and both averaging processes have been checked. The software developed is flexible and allows an automated treatment; the integrations are automatically checked. We also improved significantly the algebraic manipulator of the FUNDP, like the inclusion of symbolic fractions. Moreover, we solve the complete zonal problem of the artificial satellite, we study the effect of C22 on the critical inclination, and also the effect of the Earth on the limited orbital lifetimes of some lunar satellites.

Nous avons développé une méthode pour analyse isotopique de Yb et Er, deux terres rares aux propriétés chimiques identiques et aux températures de condensation différentes, avec comme objectifs (1) de déterminer la variabilité isotopique de ces éléments dans les processus pétrologiques terrestres, et (2) de comparer leurs compositions isotopiques dans les chondrites, la Terre et la Lune afin de déterminer le rôle potentiel de la condensation à haute température à partir de vapeurs qui a suivi l'impact géant à l'origine de la formation de la Lune. Les résultats obtenus montrent une plus grande variabilité des fractionnements isotopiques de Yb par rapport à ceux d'Er. Deux effets contribuent à cette différence : un effet oxydo-réducteur et un effet de température. La corrélation positive obtenue entre la composition isotopique en Yb, et le rapport La/Yb dans les échantillons terrestres, peut être interprétée par la présence d'une faible fraction d' Yb(2+), Yb étant majoritairement présent sous la forme Yb(3+). La kimberlite (liquide magmatique formé par un faible taux de fusion partielle) est enrichie en isotopes lourds et les grenats, résidus de fusion partielle, sont isotopiquement légers, tandis que les basaltes de ride ou d'îles ont des compositions isotopiques intermédiaires.La composition isotopique en Yb de la Lune est enrichie en isotopes légers par rapport à celle de la Terre et des chondrites. Dans le disque proto-lunaire, les frictions entre les phases fondues et gazeuses favorisent la migration des premiers condensats très réfractaires et enrichis en isotopes lourds vers la Terre, et celle de la vapeur enrichie en isotopes légers, vers l'extérieur, au-delà de la limite de Roche à partir de laquelle la Lune s'accrète. Ceci est un nouvel argument en faveur de la condensation de la Lune à partir de vapeur générée par un impact géant. La mesure de la composition isotopique d'Er dans les échantillons lunaires reflète pour la première fois la capture par 167Er des neutrons produits par interaction du rayonnement cosmique galactique avec la surface lunaire. L'apport de Er aux systèmes communément utilisés pour déterminer le spectre d'énergie des neutrons d'un matériau peut permettre de couvrir une gamme énergétique plus large et de disposer ainsi d'un proxy plus complet pour l'étude des histoires des irradiations des matériaux planétaires.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Future space exploration missions aim at landing and returning samples from moon, planets and asteroids. Autonomous precision landing capabilities will have to reach pre-selected landing sites which may lie near hazardous terrain features such as craters, rocks. However, past and current robotic landers are still far from this ability. For example, the rover Mars Science Laboratory, to be launched in 2011, is programmed to land on a position with an error of several kilometers. The first goal of thesis is to propose a vision-based absolute navigation system, named "Landstel", for interplanetary landers, especially for missions on Mars or on Moon. Contrary to current absolute navigation systems proposed in the literature which rely either on the usage of image intensity or on specific surface landmarks like craters, Landstel employs the topological property of generic surface landmarks. As a result, Landstel is not restricted to any particular terrain. Landstel also exhibits a high robustness with respect to illumination variations and sensor noise. In addition, the use of surface landmarks allows Landstel to drastically reduce the required onboard memory. Besides Landstel, the second goal of the thesis is to propose a framework to integrate Landstel inside a complete navigation system called VIBAN, including absolute localization, inertial navigation and/or visual odometry. The absolute position estimate returned by Landstel is firstly verified using the visual odometry tracked points. Then, the verified position estimate is fused with the velocity estimate of the visual odometry in a Kalman filter to improve the estimated position. The updated position is later returned back to Landstel which increases the speed of Landstel by focusing the search for matches and reduces the probability of false estimations. Finally, the points tracked by visual odometry are fed to Landstel to augment the number of matches returned by Landstel. Besides these interests, the integrat ion scheme does not impose any constraints on the spacecraft velocity or angular rate. Extensive experiments with PANGU, a surface simulator, and with Earth images validate the proposed system.

Cette thèse présente Lion, un système de navigation utilisant des informations visuelles et inertielles pour l'atterrissage planétaire de précision. Lion est conçu pour voler au-dessus de n'importe quel type de terrain, plat ou accidenté, et ne fait pas d'hypothèse sur sa topographie. Faire un atterrir un véhicule d'exploration planétaire autonome à moins de 100 mètres d'un objectif cartographié est un défi pour la navigation. Les approches basées vision tentent d'apparrier des détails 2D détectés dans une image avec des amers 3D cartographiés pour atteindre la précision requise. Lion utilise de façon serrée des mesures venant d'un nouvel algorithme d'appariement imagecarte afin de mettre à jour l'état d'un filtre de Kalman étendu intégrant des données inertielles. Le traitement d'image utilise les prédictions d'état et de covariance du filtre dans le but de déterminer les régions et échelles d'extraction dans l'image où trouver des amers non-ambigus. Le traitement local par amer de l'échelle image permet d'améliorer de façon significative la répétabilité de leur détection entre l'image de descente et l'image orbitale de référence. Nous avons également conçu un banc d'essai matériel appelé Visilab pour évaluer Lion dans des conditions représentatives d'une mission lunaire. L'observabilité des performances de navigation absolue dans Visilab est évaluée à l'aide d'un nouveau modèle d'erreur. Les performances du systèmes sont évaluées aux altitudes clés de la descente, en terme de précision de navigation et robustesse au changement de capteurs ou d'illumination, inclinaison de la caméra de descente, et sur différents types de relief. Lion converge jusqu'à une erreur de 4 mètres de moyenne et 47 mètres de dispersion 3 RMS à 3 kilomètres d'altitude à l'échelle.