Mit der Entwicklung der modernen Raumfahrt Mitte der 60er-Jahre des zwanzigsten Jahrhunderts und der Eroberung des Weltraums brach eine neue Epoche der bis dato auf Beobachtungen mit dem Teleskop gestützten planetaren Forschung an. Während des Wettrennens um die technologische Führerschaft im All zur Zeit des Kalten Krieges war das erste Ziel die Entsendung von Satelliten zur Erdbeobachtung, denen aber schon bald Sonden zum Mond und den benachbarten Planeten folgten. Diese Missionen lieferten eine enorme Fülle von Informationen in Form von Bildern und Messergebnissen in unterschiedlichen Datenformaten. Diese galt und gilt es zu strukturieren, zu verwalten, zu aktualisieren und zu interpretieren. Für die Interpretation terrestrischer Daten werden geographische Informationssysteme (GIS) hinzugezogen, die jedoch für planetare Anwendungen aufgrund unterschiedlicher Voraussetzungen nicht ohne weiteres eingesetzt werden können. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit die für die Verwaltung von geographischen Daten der Erdfernerkundung kommerziell erhältliche Software ArcGIS Desktop 9.0 / 9.1 (ESRI) mit eigenen Programmen und Modulen für die Planetenforschung angepasst. Diese ermöglichen die Aufbereitung und den Import planetarer Bild- und Textinformation in die kommerzielle Software. Zusätzlich wurde eine planetare Datenbank zur Speicherung und zentralen Verwaltung der Informationen aufgebaut. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Softwarekomponenten ermöglichen die schnelle und benutzerfreundliche Aufbereitung der in der Datenbank gehaltenen Informationen und das Auslesen in Dateiformate, die für geographische Informationssysteme geeignet sind. Des Weiteren wurde eine „Werkzeugleiste“ für ArcGIS entwickelt, die das Arbeiten mit planetaren Datensätzen beträchtlich beschleunigt und vereinfacht. Sie beinhaltet auch Module zur wissenschaftlichen Interpretation der planetaren Informationen, wie beispielsweise der Berechnung der Oberflächenrauigkeit der Marsoberfläche inklusive der flächendeckenden Kalibrierung der Eingangs-Basisdaten. Exemplarisch konnte gezeigt werden, dass das Verfahren eine verbesserte Berechnung der Oberflächenrauigkeit ermöglicht, als bisher angewandte Ansätze. Zudem wurde eine auf ArcGIS basierende Prozesskette zur Berechnung von hierarchischen Flussnetzen entwickelt und erprobt. Das terrestrische Beispiel, die Analyse eines Abflusssystems auf Island, zeigte eine sehr große Übereinstimmung der errechneten Gewässernetze mit den morphologischen Gegebenheiten vor Ort. Daraus ließ sich eine hohe Genauigkeit der mit demselben Ansatz errechneten Gewässernetze auf dem Mars ableiten. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit entwickelten Programme und Module lassen sich auch Daten zukünftiger Missionen aufbereiten und in ein solches System einbinden, um diese mit eigenen Ansätzen zu verwalten, zu aktualisieren und für neue wissenschaftliche Fragestellungen perfekt anzupassen, einzusetzen und zu präsentieren, um so neue wissenschaftliche Erkenntnisse in der Planetenforschung zu gewinnen. / After previously only telescopic observations, a new era of planetary research started in the middle of the 60s with the emergence of modern spaceflights and the conquest of the outer space. During the Cold War, there was a period of conflict and competition between the United States and the Soviet Union for technological leadership in the outer space, the aim being to lift satellites into space for observing the Earth. Later, satellites followed for the exploration of the moon and our neighboring planets. These missions generated a huge amount of technical results and images having diverse data formats. This information needs to be structured, administrated, updated and interpreted. The geographic information system (GIS) is a tool for management and analysis of terrestrial data but has limits for planetary applications. Therefore we implemented modules and computer programs into the commercially available software ArcGIS Desktop 9.0 / 9.1 (ESRI), used for the administration of spatial information in terrestrial remote sensing, providing tools for planetary research. These supplements allow the processing and import of planetary text and visual information into this commercial software. Furthermore a planetary database was established allowing storage and central administration of information. The software developed during this thesis enables the user fast and easy processing of data stored in the database and readout in data formats applicable for geographic information systems. Moreover a toolbar was developed for ArcGIS that enhances and simplifies dealing with planetary datasets. This toolbar contains modules for the scientific interpretation of planetary information as for example tools for the calculation of the surface roughness of the planet mars including area-wide calibration of the basic data. As an example, it is shown in this thesis that this procedure allows a more accurate calculation of the surface roughness than approaches used so far. Furthermore a workflow based on ArcGIS was generated and tested for the calculation of hierarchical drainage networks. A terrestrial example based on a dataset from Iceland shows a high concordance between the computer-generated drainage network and the real morphological situation. This tool allows the calculation of drainage networks with high accuracy on Mars. The programs and modules developed in this thesis provide the basis for processing and structuring datasets generated in future space missions. This planetary information and analysis system allows administration, updating, and adaptation to scientific questions and the presentation of data leading thereby to new insights in the planetary research.

Historically, studying the Martian ionosphere has been difficult due to the lack of dedicated instruments for electron density measurements in the orbit of Mars. However, since 2005, radio occultation measurements have been supplemented by Mars Express MARSIS remote sounder data and, more recently, by data from the MAVEN LPW Langmuir probe since 2014. The ionosphere of Mars is an interesting system, because Mars as one of the two solar system planetary bodies without an intrinsic magnetic field has highly localised crustal magnetic fields. The Chapman model describes the main layer of the ionosphere surprisingly well. Nevertheless, the crustal magnetic fields and other parameters potentially influence the ionosphere formation and topology. Combining the recent vast electron density data set, the Mars Global Surveyor crustal magnetic field map, and F10.7 solar radio flux measurements carried out at the Earth, a detailed study of the influence of these parameters can be conducted. To study the influence of these parameters as well as solar zenith angle on electron densities in the Martian ionosphere, we study magnitude of deviations from the established Chapman model. Furthermore, we use the Kolmogorov's 5/3 power law to investigate a possible dependence of its parameters characterising power and dissipation...

The thesis addresses a complicated real-world scheduling problem from the space operations environment. The Mars Express Orbiter scheduling problem was first presented as a challenge by the European Space Agency. The thesis compares two different solutions. The first solution is an ad-hoc scheduler that is based on scheduling actions into a set of time windows and heavily utilizes local search techniques. The second solution models the problem as a constraint satisfaction problem (CSP) and uses the SICStus Prolog constraint programming solver to find a solution. Both schedulers are experimentally evaluated and the results are compared. Both approaches were able to provide a working solution. The conclusion however states that the more generic CSP based approach was capable of producing higher quality schedules even without a complicated heuristic. It however to compute the schedule for a small subset of inputs. On the other hand, the ad-hoc scheduler was capable of solving larger inputs but the produced solutions are not as good.

Mars is the fourth planet of the Solar System starting from the Sun. Compared to Earth, Mars has an atmosphere that is significantly thinner and undergoes also a seasonal cycle that is more marked. A Martian year lasts about two terrestrial years. One of the particularity of the Martian atmosphere is the continuous presence of an airborne dust layer.SPICAM is an instrument on board the Mars-Express satellite orbiting around Mars since the end of 2003. This instrument is divided in two modules: SPICAM/IR, a infrared spectrometer (1.0 - 1.7 µm) and SPICAM/UV, a spectrometer working in the ultraviolet range (106 - 317 nm). In this work, we have analysed the SPICAM/UV measurements that have been recorded in nadir viewing and in the spectral interval between 220 and 290 nm.The analysis of this spectral domain allows to study different species and constituents of the Martian atmosphere such as ozone, dust and ice clouds. In the frame of this work, we have developed a method capable of inverting the SPICAM spectra obtained in nadir viewing in order to simultaneously retrieve the integrated quantities of these different species i.e. the ozone total column, and the integrated optical depths of dust and ice clouds. The method is based on a radiative transfer code that allows to take into account the scattering of light by the different molecules and aerosols of the Martian atmosphere. The surface reflectivity is also considered and is retrieved in the cases where no ice clouds are present in the observed scenes, ice clouds reducing the sensitivity in the surface albedo. Therefore, a cloud detection algorithm has been developed and its results were compared with results obtained with other methods and instruments for validation.Our method has been used to invert the data measured by SPICAM/UV over more than four Martian years which allowed to obtain climatologies of the different studied species: the spatial and seasonal distributions of the ozone column, the optical depths of dust and ice clouds and also the surface albedo are presented in this work. These distributions are discussed and compared to those obtained in previous works obtained with other instruments.This work is also a preparation for the future measurement analysis of the NOMAD/UVIS, an instrument that will be on board the ExoMars Trace Gas Orbiter which is planned to be launched in the beginning of 2016. The algorithm developed in this thesis has also been used to assess performances of NOMAD/UVIS such as the detection limits of particular gases (O3, SO2 et NH3) and the values of the signal-to-noise ratio. / Mars est la quatrième planète du Système Solaire en partant du Soleil. Comparée à la Terre, Mars se caractérise par une atmosphère significativement plus ténue, et possède également un cycle annuel des saisons plus marqué. Une année martienne dure environ deux années terrestres. Une des particularités de l'atmosphère de Mars réside en la présence persistante d'une couche de poussière en suspension.SPICAM est un instrument embarqué à bord du satellite Mars-Express qui orbite autour de Mars depuis fin 2003. Il comprend deux modules: SPICAM/IR, un spectromètre infrarouge (1.0 - 1.7 µm) et SPICAM/UV, un spectromètre opérant dans le domaine ultraviolet (106 - 317 nm). Dans le cadre de ce travail, nous avons analysé les mesures de SPICAM/UV obtenues en visée nadir dans l'intervalle spectral s'étendant de 220 à 290 nm.L'analyse de ce domaine spectral permet d'étudier différentes espèces ou constituants de l'atmosphère martienne telles que l'ozone, les poussières ainsi que les nuages de glace. Dans le cadre de ce travail, nous avons développé une méthode capable d'inverser les spectres SPICAM/UV en visée nadir afin de restituer simultanément les quantités intégrées de ces différentes espèces, à savoir la colonne totale d'ozone ainsi que l'opacité intégrée des poussières et des nuages. Cette méthode est basée sur un code de transfert radiatif, permettant de tenir compte de la diffusion de la lumière par les particules en suspension dans l'atmosphère martienne. La réflectivité de la surface martienne est également étudiée et restituée pour les cas où aucun nuage n'est présent dans les scènes observées, les nuages réduisant la sensibilité en l'albédo de surface. Pour ce faire, un algorithme de détection des nuages a été développé et ses résultats ont été comparés avec les résultats obtenus par d'autres méthodes et instruments afin de le valider.Notre méthode d'inversion a été utilisée pour analyser les données recueillies par SPICAM/UV pendant plus de 4 années martiennes, permettant d'obtenir une climatologie des différentes espèces étudiées: des distributions spatiales et saisonnières de la colonne d'ozone, de l'opacité des poussières et nuages de glace ainsi que de l'albédo de surface sont présentées dans ce travail. Ces distributions sont discutées et comparées à celles obtenues dans des travaux antérieurs à l'aide d'autres instruments.Ce travail constitue également une préparation en vue de l'analyse des données de l'instrument NOMAD/UVIS, supervisé par l'IASB-BIRA, et qui sera lancé à bord de la sonde ExoMars Trace Gas Orbiter en direction de Mars au début de l'année 2016. L'algorithme développé dans ce travail a notamment été utilisé pour l'estimation de performances de NOMAD/UVIS telles que les limites de détection de certains gaz (O3, SO2 et NH3) ou encore les valeurs du rapport de signal-sur-bruit. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'étude des surfaces planétaires a été profondément modifiée par la dernière génération d'instruments spatiaux : les spectro-imageurs. Ces détecteurs produisent de nombreuses images hyperspectrales, pour lesquelles chaque pixel est associé à un spectre. Ils permettent un suivi spatial et temporel des propriétés optiques des sols. Le premier objectif de cette thèse est de proposer des outils permettant de traiter la grande quantité d'images et de spectres afin d'aborder des problématiques planétologiques. Deux types d'analyse des images produites par l'instrument OMEGA (Mars Express/ESA) sont avancées : (i) WAVANGLET, une méthode rapide de détection des corps chimiques au sol, (ii) JADE+BPSS, une séparation de source en aveugle qui permet de détecter des corps chimiques sans a priori. <br />Les régions polaires de Mars sont le siège d'un cycle climatique annuel d'échange de CO2 entre atmosphère et surface. Pendant la nuit polaire, le CO2 atmosphérique se condense au sol, tandis qu'il se sublime à nouveau pour gonfler l'atmosphère, dès les premiers rayons du soleil au printemps. Ce cycle a été mis à jour depuis les années 60 mais aujourd'hui encore, le détail microphysique d'interaction entre atmosphère et surface demeure inconnu. Le second objectif de cette thèse est d'établir un modèle de sublimation des dépôts saisonniers martiens. Le bilan de masse est simulé par un bilan radiatif sur une surface rugueuse. La confrontation de ce modèle avec différents jeux de données spatiales a permis de montrer que la sublimation de la calotte saisonnière sud de Mars est contrôlée majoritairement par son albédo. Des études ultérieures seront nécessaires pour saisir quels sont les mécanismes à l'origine des variabilités d'albédo (métamorphisme, contamination en poussière, . . . ).

L'atmosphère de Mars contient en permanence des poussières micrométriques en suspension dont la quantité varie dans le temps et dans l'espace. Ces aérosols sont l'un des éléments clés du cycle climatologique de la planète, car ils modifient l'équilibre radiatif de l'atmosphère. La poussière atmosphérique diffuse le rayonnement solaire visible et proche infrarouge qui illumine la planète Mars. En janvier 2004, l'imageur spectral OMEGA a commencé à observer Mars dans ces domaines de longueur d'onde. L'analyse des observations réalisées par OMEGA a rapidement abouti à l'identification de nouveaux minéraux à la surface de Mars. Ces découvertes ont profondément modifié nos conceptions sur l'histoire passée de la planète. Ce travail de thèse est basé sur le développement d'un modèle de transfert radiatif de type Monte-Carlo. Ce modèle permet de séparer dans les données OMEGA la contribution des aérosols de celle de la surface. Il est utilisé pour étudier les propriétés optiques et physiques des aérosols et obtenir une meilleure compréhension des caractéristiques de la surface. Les premières applications concernent les régions polaires de Mars, pour lesquelles la contribution des aérosols est très importante compte tenu des parcours optiques élevés. Les données OMEGA sont utilisées pour caractériser les interactions saisonnières entre la poussière atmosphérique et la glace en surface, qui restaient encore mal comprises. Une méthode de cartographie de la profondeur optique de poussière est présentée au dessus des régions polaires sud recouvertes de glace de CO2. L'utilisation du modèle est ensuite étendue aux régions plus proches de l'équateur. Nous démontrons que la poussière soulevée lors de tempêtes dans ces régions ne se redépose pas de manière uniforme sur toute la planète, et nous présentons les premières applications concernant l'étude quantitative de la minéralogie de surface à partir des données OMEGA puis CRISM/MRO. Cette expérience, complémentaire d'OMEGA par ses observations à très haute résolution, a obtenu ses premières données depuis l'orbite martienne en novembre 2006.

Parmi les études novatrices que l'on peut aborder depuis l'orbite martienne en utilisant les données multiangulaires de l'instrument HRSC (canaux nadir, stéréographique et photométrique) de Mars Express, figure la détermination des caractéristiques physiques de la surface, pour cartographier les variations des propriétés physiques des sols et des roches de Mars et les relier aux observations spectroscopiques et thermiques réalisées par les instruments OMEGA, TES et THEMIS. <br /> Les modèles de Minnaert et de fonction de phase à deux termes de Hapke s'accordent pour démontrer que les observations multiangulaires de HRSC acquises au cours de la mission sur le cratère Gusev et le flanc sud de Apollinaris peuvent, sous certaines limites, être assemblées pour produire une fonction de phase couvrant un grand intervalle d'angles de phase (5-95°) avec une résolution spatiale de l'ordre de 400 mètres à 1.6 kilomètres.<br /><br />Combiné à la rugosité de surface, l'effet d'opposition joue un rôle significatif, <br />suggérant que les propriétés optiques de l'état de surface au niveau de Gusev sont fortement influencées par la porosité, l'état de compaction et l'organisation de la couche superficielle du régolite. L'aspect cartographique de la présente étude photométrique est utile pour donner une meilleure signification aux variations observées. Selon les tendances générales de cette analyse, il est très probable que la variation photométrique observée, au moins pour les régions centre et Ouest du cratère Gusev, soit partiellement due aux régimes des vents dominants, ces derniers ayant une orientation Nord - Nord Ouest / Sud - Sud Est et induisant une perturbation de la couche supérieure de la surface. Les résultats de cette étude photométrique sont en accord avec des études indépendantes basées sur les données orbitales d'inertie thermique et de spectroscopie de réflectance, et également des données photométriques et d'imagerie microscopique réalisées in situ par les instrument du rover Spirit. Cela conforte l'idée de l'existence en surface d'une couche composée de poussière à grains fins qui aurait été enlevée au niveau des unités de faible albédo révélant ainsi un substrat basaltique sombre formé de matériaux à grains plus grossiers. <br /><br />Ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour documenter les processus de surface sur les planètes.

Cette thèse présente trois techniques innovantes de spectrométrie, l'une en domaine infrarouge, l'autre en visible, et la troisième en ultraviolet. Deux d'entres elles sont utilisées par l'instrument Spicam-Light à bord de la sonde spatiale Mars-Express pour l'étude de l'atmosphère de Mars. La troisième concerne la spectrométrie à haute résolution depuis le sol, et est dédiée aux mesures de vitesses radiales stellaires pour la recherche de planètes extrasolaires à l'Observatoire de Haute Provence avec l'Accéléromètre Astronomique Absolu.<br />L'étude présente le concept révolutionnaire des spectromètres UV et IR de l'instrument Spicam-Light à travers une description technique détaillée. Elle s'accompagne des résultats, des étalonnages, des estimations photométriques avant l'envol et des performances en vol. L'étude sur l'AAA expose le développement instrumental important de cet appareil. Elle s'accompagne des résultats obtenus pour illustrer ses performances actuelles et potentielles.