Nous présentons un outil logiciel qui permet de simuler une mission spatiale dans son intégralité. Ceci constitue une approche nouvelle en télédétection. Les concepteurs de missions et les scientifiques peuvent ainsi mieux appréhender la complexité toujours croissante des futures missions. Ce simulateur permet, bien avant le lancement de la mission, de considérer l'ensemble dit système, qui comprend évidemment le capteur, mais aussi les caractéristiques de l'orbite de la plate-forme qui l'emportera, ainsi que les algorithmes de traitement des données qui seront effectués au sol. Ce simulateur apporte une aide précieuse dans le cadre du dimensionnement et de l'analyse d'une mission spatiale ; il permet de comprendre comment la performance de tout ou partie du système contribue à la performance globale de la mission. La mission spatiale simulée dans le cadre de cette thèse est la mission du capteur MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) de l'Agence Spatiale Européenne, dont l'objectif principal est la mesure de la couleur de l'eau. Nous utilisons le simulateur pour évaluer la dynamique du signal en entrée du capteur, pour calculer la résolution radiométrique nécessaire au capteur pour satisfaire les objectifs de la mission et pour étudier la sensibilité du signal à de petites variations en attitude de la plateforme. Nous étudions ensuite l'influence de la qualité de la modélisation de l'état de la surface océanique sur la qualité de la mesure de la couleur de l'eau. Nous montrons que les incertitudes, liées à une modélisation trop imprécise des effets de surface et à une méconnaissance de la vitesse du vent, induisent des erreurs sur le signal marin pouvant être supérieures à la précision attendue par la mission.

SVOM est une mission spatiale franco-chinoise qui sera lancée à la fin de l’année 2021. Son objectif est d’étudier les sursauts gamma et autres sources transitoires du ciel X et gamma. Les sursauts gamma sont des explosions cosmiques brèves et très énergétiques permettant leurs détections à des distances extrêmes. Ils apparaissent de manière aléatoire sur tout le ciel et émettent de la radiation dans une large gamme de longueurs d’ondes, allant de l’émission en infrarouge jusqu’aux rayons gamma. SVOM, qui évoluera en orbite basse autour de la Terre, sera composé de quatre instruments, sensibles du domaine visible aux rayons gamma, et sera couplé à des télescopes situés sur Terre qui effectueront des observations complémentaires dans les longueurs d’ondes allant du visible à de l’infrarouge. Le travail que je présente dans cette thèse est basé sur l’étude des performances du télescope MXT, dont l’optique est inspirée du principe de fonctionnement des “yeux des langoustes”. Elle sera mise en place pour la première fois dans le cadre de télescopes X, nécessitant donc de comprendre la réponse de cette optique. MXT est chargé d’observer, la contrepartie qui suit les sursauts gamma, dite émission rémanente, dans la gamme des rayons X entre 0,2 et 10 keV. Il joue un rôle clé dans la localisation précise de ces sources astrophysiques afin de transmettre, en temps réel, leurs positions aux télescopes situés au sol, qui observeront à leur tour, rapidement et précisément, le phénomène. Au cours de mon travail de thèse, j’ai mis en place un simulateur d’observation de MXT qui m’a permis d’estimer et d’étudier les performances attendues de l’instrument au cours de la mission. J’ai également développé des algorithmes de localisation qui seront implémentés à bord du satellite. Ceux-ci m’ont ensuite permis de tester les capacités de localisation de MXT à partir d’une base de données des rémanences de sursauts gamma et de montrer que 50% de ces rémanences seront localisées plus précisément que la minute d’arc. J’ai enfin appliqué une partie de mes modélisations numériques dans le cas de sources d’ondes gravitationnelles afin d’évaluer la détection des contreparties X d’étoiles à neutrons binaires. / SVOM is a Sino-French space mission to be launched at the end of 2021. Its objective is the study of gamma-ray bursts (GRBs) and other transient high energy sources. These GRBs are very powerful cosmic explosions that can be detected at extreme distances. They appear randomly on all the sky and emit radiation in a wide wavelength range, from the infrared emission to gamma rays. SVOM space mission will shed new light on the physical phenomena associated to GRBs by detecting and observing them in real time over a wide energy range. The satellite, which will be injected on a low Earth orbit, will carry four instruments sensitive from the visible to the gamma-ray domain. Ground based telescopes will complement the space borne ones and will allow for follow-up observations from the visible to the infrared band. The MXT instrument, whose optics are based on the “lobster eyes” principle, will observe GRBs soft X-rays counterparts (afterglows) between 0.2 and 10 keV. This optics will be used for the first time for an X-ray telescope which means to characterize this optics. MXT will play a key role in the localization of these astrophysical sources that will be transmitted, in real time, to ground based instruments allowing for fast and precise observations. During my thesis, I developed an MXT observation simulator in order to predict the performances of the instrument during the mission. I also developed localization algorithms to be implemented on board the SVOM satellite and made use of the state of the art knowledge about X-ray afterglows in order to predict the localization capabilities of MXT. I demonstrated thaht 50% of these afterglows will be localized with a better precision than the arc-minute. I finally applied my simulation tools in the case of gravitational wave sources and, in particular, to assess the capabilities of MXT to observe bright X-ray counterparts of binary neutron star mergers.

Le premier objectif de cette thèse est de bien comprendre les propriétés de la dynamique du problème circulaire restreint des trois corps et de les utiliser pour calculer des missions pour satellites pourvus de moteurs à faible poussée. Une propriété fondamentale est l'existence de variétés invariantes associées à des orbites périodiques autour des points de \bsc{Lagrange}. En suivant l'idée de l'\emph{Interplanetary Transport Network}, la connaissance et le calcul des variétés invariantes, comme courants gravitationnels, sont cruciaux pour le \emph{design} de missions spatiales. Une grande partie de ce travail de thèse est consacrée au développement de méthodes numériques pour calculer le transfert entre variétés invariantes de façon optimale. Le coût que l'on cherche alors à minimiser est la norme $L^{1}$ du contrôle car elle est équivalente à minimiser la consommation des moteurs. On considère aussi la norme $L^{2}$ du contrôle car elle est, numériquement, plus facile à minimiser. Les méthodes numériques que nous utilisons sont des méthodes indirectes rendues plus robustes par des méthodes de continuation sur le coût, sur la poussée, et sur l'état final. La mise en œuvre de ces méthodes repose sur l'application du Principe du Maximum de Pontryagin. Les algorithmes développés dans ce travail permettent de calculer des missions réelles telles que des missions entre des voisinages des points de \bsc{Lagrange}. L'idée principale est d'initialiser un tir multiple avec une trajectoire admissible composée de parties contrôlées (des transferts locaux) et de parties non-contrôlées suivant la dynamique libre (les variétés invariantes). Les méthodes mises au point ici, sont efficaces et rapides puisqu'il suffit de quelques minutes pour obtenir la trajectoire optimale complète. Enfin, on développe une méthode hybride, avec à la fois des méthodes directes et indirectes, qui permettent d'ajuster la positions des points de raccord sur les variétés invariantes pour les missions à grandes variations d'énergie. Le gradient de la fonction valeur est donné par les valeurs des états adjoints aux points de raccord et donc ne nécessite pas de calculs supplémentaire. Ainsi, l'implémentation de algorithme du gradient est aisée. / The first objective of this work is to understand the dynamical properties of the circular restricted three body problem in order to use them to design low consumption missions for spacecrafts with a low thrust engine. A fundamental property is the existence of invariant manifolds associated with periodic orbits around Lagrange points. Following the Interplanetary Transport Network concept, invariant manifolds are very useful to design spacecraft missions because they are gravitational currents. A large part of this work is devoted to designing a numerical method that performs an optimal transfer between invariant manifolds. The cost we want to minimize is the $L^{1}$-norm of the control which is equivalent to minimizing the consumption of the engines. We also consider the $L^{2}$-norm of the control which is easier to minimize numerically. The numerical methods are indirect ones coupled with different continuations on the thrust, on the cost, and on the final state, to provide robustness. These methods are based on the application of the Pontryagin Maximum Principal. The algorithms developed in this work allow for the design of real life missions such as missions between the realms of libration points. The basic idea is to initialize a multiple shooting method with an admissible trajectory that contains controlled parts (local transfers) and uncontrolled parts following the natural dynamics (invariant manifolds). The methods developed here are efficient and fast (less than a few minutes to obtain the whole optimal trajectory). Finally, we develop a hybrid method, with both direct and indirect methods, to adjust the position of the matching points on the invariant manifolds for missions with large energy gaps. The gradient of the value function is given by the values of the costates at the matching points and does not require any additional computation. Hence, the implementation of the gradient descent is easy.

Ce travail a comme objectif principal de vérifier s’il est possible de faire de la science avec les observations d’objets étendus qui seront réalisées par la mission spatiale Gaia. Cette mission, l’un des plus ambitieux projets de l’Astronomie moderne,observera plus d’un milliard d’objets dans tout le ciel avec des précisions inédites, fournissant des données astrométriques, photométriques et spectroscopiques. Naturellement, en fonction de sa priorité astrométrique, Gaia a été optimisé pour l’étude d’objets ponctuels. Néanmoins, diverses sources associées à des émissions étendues seront observées. Ces émissions peuvent avoir une origine intrinsèque, telles que les galaxies, ou extrinsèque, telles que les projections d’objets distincts sur la même ligne de visée, et présenteront probablement de solutions astrométriques moins bonnes.Pour étudier ces émissions, leurs images bidimensionnelles doivent être analysées.Néanmoins, comme Gaia ne produit pas de telles données, nous avons commencé ce travail en vérifiant si à partir de ses observations unidimensionnelles il serait possible de reconstruire des images 2D d’objets dans tout le ciel.Nous avons ainsi estimé la quantité de cas sujets à la présence d’émissions étendues extrinsèques, et nous avons présenté une méthode que nous avons développée pour analyser leurs images reconstruites. Nous avons montré que l’utilisation de cette méthode permettra d’étendre le catalogue final de façon fiable à des millions de sources ponctuelles dont beaucoup dépasseront la magnitude limite de l’instrument.D’un autre coté, dans le cas d’émissions intrinsèques, nous avons premièrement obtenu une estimation supérieure du nombre de cas que Gaia pourra observer. Nous avons alors vérifié qu’après les reconstructions d’images, les codes que nous avons développés permettront de classifier morphologiquement des millions de galaxies dans les types précoce/tardif et elliptique/spirale/irrégulière. Nous avons de plus présenté une méthode que nous avons développée pour réaliser la décomposition bulbe/disque directement à partir des observations unidimensionnelles de Gaia de façon complètement automatique.Finalement nous avons conclu qu’il est possible d’utiliser beaucoup de ces données qui pourraient être ignorées pour faire de la science. Et que le fait de les exploiter permettra aussi bien la détection de millions d’objets qui dépassent la limite de magnitude de Gaia, que de mener des études sur la morphologie de millions de galaxies dont les structures ne peuvent être révélées qu’à partir de l’espace ou au moyen d’optique adaptative, augmentant un peu plus les horizons de cette mission déjà immense. / The main objective of this work is to determine whether it is possible to do science from the observations of extended objects that will be performed by the Gaia space mission. One of the most ambitious projects of modern Astronomy, this mission will observe more than one billion objects through out the sky, thus providing astrometric, photometric and spectroscopic data with unprecedented precision. Naturally, Gaia has been optimized for the study of point-like sources due to its astrometrical priority. Nevertheless, many sources associated with extended emission will be observed. The origins of these extended sources can be either intrinsic, such as galaxies, or extrinsic, such as projections of objects in the same line of sight. In both cases, these sources will have less than optimal astrometric solutions.In order to study those emissions, their two-dimensional images will be analyzed. Nonetheless, since Gaia will not acquire such images, we begin this work by checking whether it will be possible to reconstruct images anywhere in the sky from the satellite’s one-dimensional observations.Consequently, we, on the one hand, estimate the number of cases which will be subjected to the extrinsic extended emissions, present a method which we developed to analyze the reconstructed images by segregating the different sources and show that the adoption of this method will allow extending the catalogue reliably by millions of point sources, many of which are beyond the limiting magnitude of the instrument. On the other hand, regarding intrinsic extended emissions, we first obtain an upper limit estimate for the number of cases which Gaia will be able to observe ; then,we verify that the combination of image reconstructions and the use of the codes introduced here in will allow performing the morphological classification of millions of galaxies in early/late types and elliptical/spiral/irregular classes. Afterward,we present a method which we developed to decompose those galaxies into their bulge/disk components directly from the one-dimensional Gaia data in a completely automatic way. Finally, we conclude that it is possible to harness the data of many of the observations that might other wise be ignored to do science. Saving these data will allow the detection of millions of objects beyond Gaia’s limiting magnitude and the study of the morphology of millions of galaxies whose structures can only be probed from space or through the adoption of adaptive optics, thus somewhat expanding the horizons of this already comprehensive mission.

Le rayonnement du Fond Diffus Cosmologique est une source riche et propre d’informations cosmologiques. L’étude du CMB au cours des dernières décennies a conduit à la mise en place d’un modèle standard pour la cosmologie et a permis de mesurer précisément ses principaux paramètres. Il a également transformé le domaine, en le basant davantage sur les données observationnelles et les approches numériques et statistiques.A l’heure actuelle, l’inflation est le principal paradigme décrivant les premiers moments de notre Univers. Elle prédit la génération de fluctuations de la densité de matière primordiale et des ondes gravitationnelles. Le signal de polarisation du CMB porte la signature de ces ondes gravitationnelles sous la forme de modes-B primordiaux. Une future génération de missions spatiale d’observation de la polarisation du CMB est bien adaptée à l’observation de cette signature de l’inflation.Cette thèse se concentre sur l’optimisation d’une future mission spatiale CMB qui observera le signal en modes-B pour atteindre une sensibilité de r = 0,001. Plus précisément, j’étudie la stratégie d’observation et l’impact des effets systématiques sur la qualité de la mesure de polarisation / The Cosmic Microwave Background radiation is a rich and clean source of Cosmological information. Study of the CMB over the past few decades has led to the establishment of a “Standard Model” for Cosmology and constrained many of its principal parameters. It hasalso transformed the field into a highly data-driven domain.Currently, Inflation is the leading paradigm describing the earliest moments of our Universe. It predicts the generation of primordial matter density fluctuations and gravitational waves. The CMB polarisation carries the signature of these gravitational waves in the form of primordial “B-modes”. A future generation of CMB polarisation space mission is well suited to observe this signature of Inflation.This thesis focuses on optimising a future CMB space mission that will observe the B-modesignal for reaching a sensitivity of r = 0.001. Specifically, I study the optimisation of the scanning strategy and the impact of systematics on the quality of polarisation measurement

Este trabalho tem como objetivo principal verificar se é possível fazer ciência com as observações de objetos extensos que serão realizadas pela missão espacial Gaia. Um dos mais ambiciosos projetos da Astronomia moderna, essa missão observará mais de um bilhão de objetos em todo o céu com precisões inéditas, fornecendo dados astrométricos, fotométricos e espectroscópicos. Naturalmente, devido à sua prioridade astrométrica o Gaia foi optimizado para o estudo de objetos pontuais. Contudo, diversas fontes associadas a emissões extensas serão observadas. Essas emissões podem ter origem intrínseca, como galáxias, ou extrínseca, como projeções de objetos distintos na mesma linha de visada, e deverão ter soluções astrométricas aquém do ideal. Para estudar essas emissões suas imagens bidimensionais devem ser analisadas. Contudo, como o Gaia não obtém tais dados, iniciamos este trabalho verificando se a partir de suas observações unidimensionais seria possível reconstruir imagens de objetos em todo céu. Dessa forma, por um lado, nós estimamos a quantidade de casos sujeitos à presença de emissões extensas extrínsecas, apresentamos um método que desenvolvemos para segregar fontes astronômicas em imagens reconstruídas, e mostramos que sua utilização possibilitará estender o catálogo final de forma confiável em milhões de fontes pontuais, muitas das quais estarão além da magnitude limite do instrumento. Por outro lado, no caso de emissões intrínsecas, primeiro obtivemos uma es- timativa superior para o número de casos que o Gaia poderá observar. Então verificamos que após reconstruções de imagens, os códigos aqui desenvolvidos per- mitirão classificar morfologicamente milhões de galáxias nos tipos precoce/tardio e elíptico/espiral/irregular. Mostramos ainda um método que construímos para realizar a decomposição bojo/disco diretamente a partir das observações unidimensionais do Gaia de forma completamente automática. Finalmente concluímos que sim, é possível aproveitar muitos desses dados que poderiam ser ignorados para fazer ciência. E que salva-los possibilitará tanto a detecção de milhões de objetos além do limite de magnitude do Gaia, quanto estudos da morfologia de milhões de galáxias cujas estruturas podem ser apenas reveladas do espaço ou por meio de óptica adaptativa, expandindo um pouco mais os horizontes dessa já abrangente missão. / Ce travail a comme objectif principal de vérifier s\'il est possible de faire de la science avec les observations d\'objets étendus qui seront réalisées par la mission spatiale Gaia. Cette mission, l\'un des plus ambitieux projets de l\'Astronomie moderne, observera plus d\'un milliard d\'objets dans tout le ciel avec des précisions inédites, fournissant des données astrométriques, photométriques et spectroscopiques. Naturellement, en fonction de sa priorité astrométrique, Gaia a été optimisé pour l\'étude d\'objets ponctuels. Néanmoins, diverses sources associées à des émissions étendues seront observées. Ces émissions peuvent avoir une origine intrinsèque, telles que les galaxies, ou extrinsèque, telles que les projections d\'objets distincts sur la même ligne de visée, et présenteront probablement de solutions astrométriques moins bonnes. Pour étudier ces émissions, leurs images bidimensionnelles doivent être analysées. Néanmoins, comme Gaia ne produit pas de telles données, nous avons commencé ce travail en vérifiant si à partir de ses observations unidimensionnelles il serait possible de reconstruire des images 2D d\'objets dans tout le ciel. Nous avons ainsi estimé la quantité de cas sujets à la présence démissions étendues extrinsèques, et nous avons présenté une méthode que nous avons développée pour analyser leurs images reconstruites. Nous avons montré que l\'utilisation de cette méthode permettra détendre le catalogue final de façon fiable à des millions de sources ponctuelles dont beaucoup dépasseront la magnitude limite de l\'instrument. Dun autre coté, dans le cas démissions intrinsèques, nous avons premièrement obtenu une estimation supérieure du nombre de cas que Gaia pourra observer. Nous avons alors vérifié qu\'après les reconstructions d\'images, les codes que nous avons développés permettront de classifier morphologiquement des millions de galaxies dans les types précoce/tardif et elliptique/spirale/irrégulière. Nous avons de plus présenté une méthode que nous avons développée pour réaliser la décomposition bulbe/disque directement à partir des observations unidimensionnelles de Gaia de façon complètement automatique. Finalement nous avons conclu qu\'il est possible d\'utiliser beaucoup de ces données qui pourraient être ignorées pour faire de la science. Et que le fait de les exploiter permettra aussi bien la détection de millions d\'objets qui dépassent la limite de magnitude de Gaia, que de mener des études sur la morphologie de millions de galaxies dont les structures ne peuvent être révélées qu\'à partir de l\'espace ou au moyen d\'optique adaptative, augmentant un peu plus les horizons de cette mission déjà immense.