Dans la quasi-totalité des missions d'observation de la Terre requérant une grande précision de pointage, les micro-vibrations sont le principal élément dégradant les performances de pointage. Les principales sources de micro-perturbations sont les roues et, lorsqu'il y en a, les refroidisseurs cryogéniques. D’autres sources de perturbations sont les propulseurs chimiques, les moteurs pas à pas de l'antenne solaire, les mécanismes d'entraînement,… L'objectif de cette thèse (NPI) est de concevoir et de valider un système de pointage actif de haute précision à base d’actionneurs piézoélectriques capable de rejeter les micro-vibrations au niveau d’un miroir, avec des pénalités de masse et de puissance contrôlées. Les caractéristiques attendues de ce système sont : • une grande bande passante en boucle fermée : typiquement jusqu'à 100 Hz • une faible erreur résiduelle: typiquement inférieure à 50-100 rad (ordre de grandeur approximatif) • un encombrement et une masse faibles (à quantifier au cours de la thèse) • une puissance requise minimale (à optimiser au cours de la thèse) • la modularité • une possible évolution Ce sujet est fortement pluridisciplinaire (mécanique, automatique, optique et instrumentation). Les défis scientifiques de la thèse sont : • la conception d’un système de pointage actif à bande passante élevée avec impact de masse et de volume faible et une puissance requise à minimiser • la commande robuste du système de pointage actif permettant de rejeter des micro-perturbations dont le spectre varie en fonction des phases de la mission • la tenue des performances en précision • la définition d'une méthodologie générique de conception intégrée applicable à d'autres systèmes de pointage (plusieurs degrés de liberté, ...) / On almost all high accuracy pointing Science and Earth observation missions, micro-vibrations are the major contributor to pointing performances degradations (RPE). The main sources of micro-disturbances being the wheels and, when present, the cry-coolers. Other disturbance sources may originate from chemical thrusters, antenna stepper motors, Solar Array Drive Mechanisms (SADM), antenna trimming mechanisms, or payload mechanisms set either inside the sensitive payload, or inside another payload of the same spacecraft. The objective of this NPI is to investigate and validate a high accuracy active pointing system able to reject micro-vibrations at instrument level: • large control bandwidth : typically up to 100Hz • low residual error : typically lower than 50-100nrad (rough order magnitude to be further defined in the frame of this NPI) • low mass and volume impacts • scalable • modular This subject is strongly multidisciplinary (mechanics, control theory, optics and instrumentation). The scientific challenges of the thesis are: • the design of an active pointing system with high bandwidth, low impact of mass and volume and minimized power • the robust control of the active pointing system allowing to reject micro-disturbances whose spectrum varies according to the phases of the mission • obtaining high accuracy performances • the definition of a generic methodology of integrated design applicable to other pointing systems (several degrees of freedom e.g.)

Le contexte général des travaux de recherche de cette thèse concerne les problématiques liées à l’optimisation glob-ale liée à la conception des futurs satellites d’observation terrestre et de missions scientifiques, nécessitantune très haute stabilité en pointage (capacité du satellite à garder son point de visée). Plus particulièrement,les travaux concernent le contrôle actif des modes micro-vibratoires.Dans une mission satellitaire d’observation terrestre, la qualité des images dépend bien évidemmentdes instruments de mesure optique (diamètre du miroir, aberrations optiques et qualité du polissage)mais également des performances de la stabilité de la ligne de visée du satellite qui peut s’avérer dégradéepour cause de micro-vibrations. La présence de ces micro-vibrations est liée aux divers éléments tournantdu satellite tels que les mécanismes de rotation des panneaux solaires ou de contrôle d’orientation dusatellite (on parle de contrôle d’attitude réalisé au moyen de roues inertielles).Le contrôle des micro-vibrations représentent ainsi un défit technologique, conduisant l’ESA et les ac-teurs industriels du monde spatial, a considéré cette problématique comme hautement prioritaire pour ledéveloppement des satellites d’observation terrestre nouvelle génération.Il existe à l’heure actuelle deux principes fondamentaux de contrôle des micro-vibrations :• le contrôle dit passif: la stratégie consiste à introduire des dispositions constructives et des matériauxparticuliers permettant de minimiser la transmission des vibrations à l’environnement.• le contrôle dit actif : le concept de contrôle actif des vibrations est tout autre : l’idée est cette fois-ci,de bloquer la micro-vibration en exerçant une vibration antagoniste créée artificiellement avec despropriétés en opposition, à tout instant, relativement à la vibration indésirable, pour rendre nulleleur somme.L’industrie spatiale aborde cette problématique en plaçant des isolateurs en élastomère au voisinage dechaque source de micro-vibrations. Cette solution, qui a fait ses preuves puisqu’elle équipe actuelle-ment nombre de satellites en orbite, permet de rejeter nombre de micro-vibrations. Malheureusement,la demande de plus en plus importante de grande stabilité de la ligne de visée pour les futures missionsd’observation terrestres telles que les missions GAIA rend l’approche passive insuffisante.L’ESA et Airbus Defence and Space, ont donc collaborer conjointement avec l’équipe ARIA au travers decette thèse, dans des travaux de recherche dans le domaine du contrôle actif pour palier ces problèmes.L’objectif visé est de coupler les approches passives et actives afin de rejeter à la fois les micro-vibrations enhautes fréquences (approche passive existant) et en basses fréquences (approche active objet des travauxde la thèse) / Next generation satellite missions will have to meet extremely challenging pointing stability requirements. Even low levels of vibration can introduce enough jitter in the optical elements to cause a significant reduction in image quality. The success of these projects is therefore constrained by the ability of on-board vibration isolation and optical control techniques to keep stable the structural elements of the spacecraft in the presence of external and internal disturbances.In this context, the research work presented in this thesis combines the expertise of the European Space Agency (ESA), the industry (Airbus Defence and Space) and the IMS laboratory (laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système) with the aim of developing new generation of robust microvibration isolation systems for future space observation missions. More precisely, the thesis presents the development of an Integrated Modeling, Control and Analysis framework in which to conduct advanced studies related to reaction wheel microvibration mitigation.The thesis builds upon the previous research conducted by Airbus Defence and Space and ESA on the use of mixed active/passive microvibration mitigation techniques and provides a complete methodology for the uncertainty modeling, robust control system design and worst-case analysis of such systems for a typical satellite observation mission. It is shown how disturbances produced by mechanical spinning devices such as reaction wheels can be significantly attenuated in order to improve the pointing stability of the spacecraft even in the presence of model uncertainty and other nonlinear phenomenon.Finally, the work introduces a new disturbance model for the multi harmonic perturbation spectrum produced by spinning reaction wheels that is suitable for both controller synthesis and worst-case analysis using modern robust control tools. This model is exploited to provide new ways of simulating the image distortions induced by such disturbances.

Ultra-sensitive photodetectors on-board space missions need very low temperatures to keep a good resolution. Cryo-coolers, such as pulse-tubes, help maintaining these conditions within a cryostat. In return however, they generate micro-vibrations. These micro-vibrations dissipate enough heat to cause temperature fluctuations at the detector's support, thus lowering the detector's resolution. The first objective is to establish a test bench almost from scratch. The test bench includes a dummy representing the detector's support. The next objectives is to verify that we can measure heat dissipation at the dummy, corresponding to very low values of power ; and finally, to find a link between mechanics and heat dissipation. The dummy consists of a mass suspended by Kevlar chords and is mounted on the cold plate of a cryostat. From the cryostat enclosure, we were able to generate micro-vibrations at the suspended mass and to carry out acceleration and temperature measurements. At 4 K, we were able to measure heat dissipation only around the suspended mass resonance modes. As a first quantitative result, we found that an acceleration of thousands µg (g is the gravitational acceleration) on the cold plate dissipates hundreds of nano-watts. However, these are preliminary results and we will need to improve the test bench for future measurement campaigns. / Ultrakänsliga fotodetektorer ombord rymduppdrag behover mycket låga temperaturer för att hålla en rätt upplösning. Kryokylare, såsom pulse-tubes, hjälper att upprätthålla dessa förhållanden i en kryostat. I gengäld genererar de dock mikrovibrationer. Dessa mikrovibrationer släpper ut tillräckligt med värme för att orsaka temperatursvängningar vid detektorns stöd, vilket sänker detektorns upplösning. Det första målet är att upprätta en testbänk från grunden. Testbänken innehåller en dummy som representerar detektorns stöd. Nästa mål är att kontrollera att vi kan mäta värmeavledning vid dummy, vilket motsvarar mycket låga effektvärden. Sista mål är att hitta en länk mellan mekanik och värmeavledning. Dummy består av en massa som är upphängd av Kevlar och är monterad på en kryostats kallplatta. Från kryostathöljet kunde vi generera mikrovibrationer vid den upphängda massan och genomföra accelerations- och temperaturmätningar. Vid 4 K kunde vi bara mäta värmeavledning runt upphängda massans resonanslägen. Som ett första kvantitativt resultat, upptäckte vi att en acceleration på tusentals µg (g är tyngdaccelerationen) på kylplattan försvinner hundratals nanowatt. Detta är dock preliminära resultat och vi kommer att behöva förbättra testbänken för framtida mätkampanjer.