Depuis les tous premiers jours de l'ère spatiale, les satellites artificiels ont été considérés comme un outil pour la résolution de problèmes scientifiques et pratiques, notamment dans l'astronomie, l'observation de la Terre et les télécommunications. Traditionnellement, les gros satellites artificiels, avec une masse allant de plusieurs centaines de kilogrammes jusqu'à plusieurs tonnes, ont été utilisés pour ces besoins. Un élément clef pour permettre le succès de ces missions spatiales est un contrôle précis de l'attitude du satellite. Afin d'assurer la haute précision de pointage, un système de contrôle d'attitude et d'orbite (SCAO) repose sur les données fournies par un instrument optoélectronique appelé un senseur stellaire (ou Star Tracker, ST). L'utilisation des étoiles éloignées comme points de repère permet la détermination de l'attitude du satellite avec une précision de l'ordre de la seconde d'arc. Beaucoup de travaux sur la miniaturisation des sous-systèmes des satellites artificiels ont été entrepris au court des vingt dernières années. Cela a permis à l'industrie et aux passionnés de développer et construire des satellites de quelques kilogrammes pouvant accomplir de véritables missions spatiales. Centaines de ces satellites appelés « nano-satellites » sont lancé chaque année et certains parmi eux peut être considéré comme un replacement des gros satellites. Cependant, dû à de grosses contraintes de masse et de volume définis par les standards na no-satellites, tel que lU-3U CubeSat Design Specification, l'intégration de senseur stellaire dans ces nano-satellites n'était jusqu'à présent pas possible, limitant l'application de ces plateformes. Dans ce travail, senseur stellaire est considéré comme un système composé par un module caméra et un module de traitement d'image. les solutions possibles pour chaque module sont analysées séparément dans un contexte de miniaturisation de ST par modélisation et simulation. Elles sont ensuite évaluées ensemble comme les prototypes fonctionnels dans un installation hardware-in-the-loop (Hll). Cette recherche aborde plusieurs problèmes liés à la miniaturisation d'optique de caméra et du capteur d'image à pixel actif (active pixel sensor, APS), tels que la sensibilité réduite à la lumière des étoiles et l'incertitude de position des centroïdes à cause de la distorsions et l'aberrations chromatique d'optique miniaturisée. L'évaluation dans l'installation Hll se concentre autour des performances du module de traitement et plus particulièrement sur les performances du logiciel ST dans le mode d'opération « perdu dans l'espace» ("Iost-in-space", LIS). Une contribution originale de cette recherche est un algorithme de reconnaissance d'étoiles (StarID) nommé « RING-O » développé et breveté par l'auteur. Par rapport aux autres algorithmes existants, RING-O peut facilement être adapté et ajusté à différentes caméras et plateformes de traitement. Des implémentations logicielles d'algorithme ont été effectuées sur deux prototypes, l'un basé sur smartphone et l'autre basé sur une plateforme Xilinx Zynq, afin de réaliser une analyse des goulets et d'extraire les performances du système. Optimisé pour les plateformes multi-coeurs, RING-O garantit les délais d'acquisition initiale d'attitude comparable et souvent plus petits que les délais d'acquisition déclaré par les autres développeurs de senseur stellaires européens. / From the early days of the space age, satellites were considered as a solution for many scientific and practical tasks, notably astronomy, Earth observation and telecommunication. Traditionally and to the present day, mostly large satellites with a mass from several hundred kilograms to several tons are used for these purposes. The key success factor of such space missions is a fine control of satellite’s attitude. To ensure high pointing accuracy, satellite’s attitude determination and control subsystem (ADCS) relies on precise three-dimensional attitude data provided by an opto-electronic instrument called star tracker (ST). The use of stars as reference objects allows to determine the satellite’s attitude in real time with an arc-second precision.A significant work on miniaturization of satellite subsystems carried out in the past twenty years, allows us today to build a complete satellite with a mass of only a few kilograms. An increasing number of successful nano- and picosatellite missions demonstrates constantly improving capabilities of modern miniaturized satellite platforms. However, until recently, integration of a star tracker into a nanosatellite was not possible because of a large size of the device and relatively high power consumption, and that limited possible applications of the nanosatellites. In attempt to change the situation, in the last five years about a dozen of miniature star tracker prototypes, suitable for nanosatellite platforms, were proposed by various developers. Some were successfully tested in space, yet most prototypes, including the tiniest ones, are still at the development stage.A modern star tracker is a system, that can be represented as two modules, a digital camera module and a processing module. Use of a compact camera lens and a small-size image sensor allows to significantly reduce overall mass and size of the device, and at the same time, may cause significant image quality deterioration, due to increased distortion, uncompensated spherical and chromatic aberration, lower signal-to-noise ratio (SNR) and overall lower light sensitivity of the camera module. Thus, embedded software of the processing module, responsible for pre-processing, star identification and attitude calculation, should take into account the limitations imposed by the miniaturization of the camera module. At the same time, hardware architecture of the processing module should have the capacity to perform necessary correction of the digital image in real time, and to ensure stability and expected performance of the star identification and attitude calculation routines.The goal of hardware and software prototyping of a miniature star tracker system, carried out in this work, is to evaluate various design solutions, that could be brought into the camera or into the processing module, in order to help the miniaturization of the system. Another goal is to analyze the impact of every hardware and software component on the overall performance of a miniaturized star tracker system. Among the list of star tracker characteristics, the initial attitude estimation time and the attitude output rate became the focus of the research. Current work addresses possible performance bottlenecks, that may appear on any step of star tracker operation, from capturing starlight to calculation of components of the attitude quaternion, and proposes an original solution to speed-up the star identification routine.

Les investigations présentées dans ce mémoire de doctorat portent sur la synthèse d’antennes à éléments parasites à polarisation circulaire. Une stratégie de conception rapide et efficace est développée et mise en oeuvre pour synthétiser des diagrammes de rayonnement à multiples objectifs. Des éléments parasites peuvent ainsi être associés à d’autres antennes pour en améliorer les performances. Deux antennes ont été imaginées. Un premier démonstrateur d’AEP directive à polarisation circulaire et à bande élargie a été conçu. Ce démonstrateur qui se compose de l’association de 18 dipôles parasites avec une antenne spirale logarithmique a été fabriqué et mesuré. Un second prototype d’AEP a été inventé dans le cadre d’un projet spatiale «Antenne Isoflux Bande-X pour nano-satellite». L’antenne compacte a été développée pour supporter les débits de transmission des futures missions des plateformes Nano-Satellite « Cube-Sat ». Ce prototype associe une antenne patch avec une distribution de 12 dipôles parasites pour réaliser une couverture Isoflux en polarisation circulaire. Cette antenne a été mesurée sur sa plateforme d’accueil. / The investigations presented in this thesis propose the synthesis of circularly polarized antennas with parasitic elements. An innovative and effective strategy is developed and implemented to synthesize a multi-objective radiation patterns. Parasitic elements can also be associated with other antennas to improve the performances. Two antennas were suggested. The first one represents a wide band circularly polarized directive antenna with parasitic elements. This demonstrator consists of the combination of 18 parasitic dipoles with a logarithmic spiral antenna; this antenna was manufactured and measured. The second antenna is a part of a space project « Isoflux X-Band antenna for Nano-Satellite». This compact antenna has been developed to support transmission rates for future mission.

La réduction des budgets du domaine spatial et les missions scientifiques traditionnelles ayant des coûts et une complexité croissants a amené la communauté scientifique à se concentrer sur les petits satellites qui fournissent non seulement des résultats scientifiques de valeur, mais permettent aussi de nouvelles applications dans le domaine de la télédétection, de la surveillance environnementale et des télécommunications. De plus, le concept de vol en formation de petits satellites est une technologie-clé pour beaucoup de missions spatiales futures, en améliorant la capacité de survie et réduisant le coût des missions. Ce travail de recherche a un double but : la proposition de modèles innovants de constellations de nano-satellites et de nouvelles approches de routage pour les réseaux de nano-satellites. Cette thèse propose et analyse trois modèles de constellations de nano-satellites dénommés NanoDREAM, NanoiCE et NanoSPHERE, qui fournissent des services de télécommunications aux régions éloignées. Le modèle NanoDREAM est conçu pour le Désert Salar de Uyuni en Bolivie, une région qui détient 70% de la réserve mondiale de lithium. Le modèle NanoiCE est destiné aux Régions Polaires, pour satisfaire les besoins de télécommunications de la communauté scientifique. Le modèle NanoSPHERE est conçu pour fournir une couverture globale de la Terre pour un marché de télécommunications concurrentiel. De plus, nous avons proposé une architecture pour le segment terrestre basée sur la technologie sans fil. Cette architecture a été déployée sur la zone d'exploitation du Désert Salar de Uyuni. Ces modèles ont été développés analytiquement et mis ensuite en œuvre dans le simulateur SaVi afin d'identifier la meilleure constellation satisfaisant les requis de la mission en terme de couverture et en réduisant au minimum le nombre de nano-satellites de la constellation. [...]

La réduction des budgets du domaine spatial et les missions scientifiques traditionnelles ayant des coûts et une complexité croissants a amené la communauté scientifique à se concentrer sur les petits satellites qui fournissent non seulement des résultats scientifiques de valeur, mais permettent aussi de nouvelles applications dans le domaine de la télédétection, de la surveillance environnementale et des télécommunications. De plus, le concept de vol en formation de petits satellites est une technologie-clé pour beaucoup de missions spatiales futures, en améliorant la capacité de survie et réduisant le coût des missions. Ce travail de recherche a un double but : la proposition de modèles innovants de constellations de nano-satellites et de nouvelles approches de routage pour les réseaux de nano-satellites. Cette thèse propose et analyse trois modèles de constellations de nano-satellites dénommés NanoDREAM, NanoiCE et NanoSPHERE, qui fournissent des services de télécommunications aux régions éloignées. Le modèle NanoDREAM est conçu pour le Désert Salar de Uyuni en Bolivie, une région qui détient 70% de la réserve mondiale de lithium. Le modèle NanoiCE est destiné aux Régions Polaires, pour satisfaire les besoins de télécommunications de la communauté scientifique. Le modèle NanoSPHERE est conçu pour fournir une couverture globale de la Terre pour un marché de télécommunications concurrentiel. De plus, nous avons proposé une architecture pour le segment terrestre basée sur la technologie sans fil. Cette architecture a été déployée sur la zone d'exploitation du Désert Salar de Uyuni. Ces modèles ont été développés analytiquement et mis ensuite en œuvre dans le simulateur SaVi afin d'identifier la meilleure constellation satisfaisant les requis de la mission en terme de couverture et en réduisant au minimum le nombre de nano-satellites de la constellation. […] / The growth in cost and complexity of traditional scientific missions along with the reduction in space budgets have determined space community to focus on small satellites that not only provide valuable scientific returns, but also allow completely new applications in remote sensing, environmental monitoring and communications. Furthermore, small satellite flying in formation is a key technology for many future space science missions, by improving mission survivability and reducing mission costs, and offering multi-mission capabilities, achieved through reconfiguration of formations.The main goal of this thesis is two-fold: proposing innovative nanosatellite constellation models andnew routing approaches for nanosatellite network telecommunications. Therefore, this research work proposes and analyzes three models of nanosatellite constellations, named NanoDREAM, NanoiCE, NanoSPHERE, that provide telecommunication services to remote regions of the Earth. NanoDREAM mode! is designed for Bolivia's Salar de Uyuni Desert, a region which detains 70% of the global lithium reserve. NanoiCE model is intended for Polar Regions, in order to meet the voice and data transfer needs of the entire Antarctic and Arctic scientific community. NanoSPHERE is aimed to provide global coverage in the context of a robust telecommunications market. Additionally, a ground segment architecture based on wireless technology and deployed over the exploitation area of Salar de Uyuni Desert was proposed. Moreover, two new methodologies were proposed: the first one is a method for estimating the number of nano-satellites needed to cover a specific region was, and the second one is a Markov modeling­ based method for evaluating the performance of nanosatellite constellations. [...]

Satellites typically communicate with locations on the ground to receive commands and send data back. Establishing reliable communications generally requires dedicated ground stations, which in turn require hardware and expertise. Developers of nano-satellites, however, may not have the expertise or resources necessary for establishing a dedicated ground station. Therefore, the use of an existing communication system, such as the Satellite Personal Communication Networks (S-PCNs), is attractive. Another shortcoming of the fixed ground stations, already available, is that they are normally only able to communicate with Low Earth Orbit (LEO) nano-satellites four times per day (two10-minute windows separated by 90 minutes, followed 12 hours later by two more such 10-minute windows). This drawback is also overcome by the use of S-PCNs which provide increased access times, smaller gaps in contact between the satellites and ground stations, and easier tracking of satellite health. In this thesis, the capabilities of S-PCNs for communications with a nano-satellite are explored. Software simulation and analysis have been performed to assess system performance. Ground testing of the hardware is done to understand the use of such systems for small satellites.