Les nuages sont une composante majeure du système Terre-océan-atmosphère car ils couvrent en moyenne 40% de la surface du globe. Ils contribuent à refroidir la troposphère car ils réfléchissent une part importante du rayonnement solaire (effet d’albédo), mais ils contribuent également à la réchauffer car ils réémettent une partie du rayonnement infrarouge terrestre (effet de serre naturel). La détermination des effets radiatifs des nuages a été identifiée par le GIEC comme l’une des sources principales d’incertitude sur la prévision du climat. Dans ce contexte, la question se pose quant au rôle de la variabilité décennale de ces propriétés nuageuses. Plus particulièrement, on cherche à identifier une possible évolution ou variation des propriétés des nuages et à comprendre l'impact de cette variabilité sur celle du climat régional (température au sol), et inversement : ici, la région d'étude est l'Europe. On sait en effet qu'au 1er ordre le climat régional européen est contrôlé par la circulation atmosphérique de grande échelle (Cattiaux et al., ou Cassou et al., 2005) mais celle-ci ne suffit pas à expliquer certaines anomalies ou extrêmes de température. Des anomalies de propriétés nuageuses sont donc une piste importante à étudier pour expliquer ce type d’événement extrême. Durant cette thèse, nous proposons donc d'appréhender cette question à partir d'observations spatiales et de simulations. Les observations seront celles de l'Aqua-Train : (1) l'instrument MODIS à bord du satellite Aqua permet, à l'aide d'algorithmes développés à la Nasa, de caractériser le forçage radiatif des nuages depuis 9 ans (i.e. leur capacité à refroidir ou à réchauffer); (2) le lidar du satellite CALIPSO couplé au radar du satellite CloudSat nous renseigne sur la structure verticale de ces mêmes couches nuageuses, leurs propriétés précipitantes et microphysiques depuis 7 ans. Les simulations utilisées pour compléter ces observations sont déjà existantes : elles ont été réalisées avec le modèle régional WRF et couvrent l'ensemble de l'Europe sur une période suffisamment longue pour pouvoir travailler sur la variabilité interannuelle à décennale des nuages. L’objet de la thèse est d'analyser à l'échelle régionale les relations entre les anomalies nuageuses et les anomalies de température. On cherchera à comprendre si les propriétés des nuages sont perturbées pour un régime synoptique donné et si ces perturbations peuvent expliquer certaines anomalies de température via leur effet radiatif direct ou plus indirect dans le cas des nuages convectifs. La démarche suivante sera appliquée : (1) Les observations et les simulations seront analysées conjointement pour mieux caractériser les propriétés nuageuses et surtout leur variabilité spatiale et interannuelle. (2) Ce travail de caractérisation des propriétés nuageuses devra se faire pour chaque régime synoptique identifié. Les saisons d'hiver et d'été seront caractérisées grâce aux régimes de l'Oscillation Nord Atlantique (NAO) (en collaboration avec le LSCE), tandis qu'un travail sur les régimes des saisons intermédiaires sera nécessaire. (3) Nous chercherons ensuite à comprendre comment ces propriétés typiques d’un régime sont perturbées. A régime fixé, nous tenterons de relier des anomalies de couverture nuageuse à des anomalies de température, et les périodes identifiées seront étudiées en détail pour comprendre quels sont les mécanismes qui permettent de passer d’une anomalie de l’un à une anomalie de l’autre : en d’autres termes, il s’agira d’estimer si le forçage radiatif de ces « anomalies nuageuses » peut conduire à l’anomalie de température détectée. Les comparaisons entre simulations et observations seront utiles pour analyser ces liens (existent dans les 2, ou uniquement dans l'un et pourquoi). Le travail de thèse pourra alors consister à réaliser de nouvelles simulations afin de mieux comprendre ces relations. / We characterize the seasonal and inter-annual variabilities of the clouds fraction profiles in both observations and simulation since they are critical to better assess the impact of clouds on climate variability. The spaceborne lidar onboard CALIPSO, providing cloud vertical profiles since 2006, is used together with a 23-year WRF simulation at 20 km resolution. A lidar simulator helps to compare consistently model with observations. The bias in observations due to the satellite under-sampling is first estimated. Then we examine the vertical variability of both occurrence and properties of clouds. It results that observations indicate a similar occurrence of low and high clouds over continent, and more high than low clouds over the sea except in summer. The simulation shows an overestimate (underestimate) of high (low) clouds comparing to observations, especially in summer. However the seasonal variability of the cloud vertical profiles is well captured by WRF. Concerning inter-annual variability, observations show that in winter, it is twice more important for high clouds than for low clouds, which is well simulated. In summer, the observed inter-annual variability is vertically more homogeneous while the model still simulates more variability for high clouds than for low clouds. The good behavior of the simulation in winter allows us to use the 23 years of simulation and 8 years of observations to estimate the time period required to characterize the natural variability of the cloud fraction profile in winter, i.e the time period required to detect significant anomalies and trends.

<p>Large space-based communication networks have been growing in numbers of satellites, with plans to launch more than 10,000 satellites into Low Earth Orbit (LEO). While these constellations offer many advantages over ground-based communication systems, they pose a significant threat when they fail and generate space debris. Given the reliability of current satellites, engineers can use failure modeling to design satellite constellations that are more resilient to satellite failures. Several authors have analyzed the reliability of geostationary satellites, but few have expanded the work to multiple-satellite systems. </p> <p>To address this gap, we constructed a simulation model to show the performance of satellite constellations with different satellite reliability functions over time. The simulation model is broken down into four key parts: a satellite constellation model, a network model, a failure model, and a performance metric. We use a Walker star constellation, which is the most common constellation for LEO broadband satellite constellations. The network consists of satellite-to-satellite connections and satellite-to-groundstation connections, which routes data using a shortest-path algorithm. The failure model views satellites as either operational or failed (no partial failures) and considers the groundstation operator’s knowledge or lack thereof of the satellites’ operational status and uses satellite reliability to estimate the expected data throughput of the system. We also created a performance metric that measures how well the entire network is operating and helps us compare candidate constellations.</p> <p>We used the model to estimate performance for a range of satellite reliabilities, and for groundstations with different numbers of communication dishes (effectively, satellite-ground links). Satellite reliability is a significant contributing factor to the long-term constellation performance. Using the reliability of small-LEO satellites, we found that a constellation of 1,200 small-LEO satellites completely fails after less than 30 days, given that we do not consider partial failures. Satellite constellations with higher satellite reliability, such as large geostationary satellites, last less than 50 days. We expect the constellations in our model to perform worse than real satellite systems, since we are only modeling complete failures, however these findings provide a useful worst-case baseline for designing sustainable satellite constellations. We also found that the number of groundstation-to-satellite communication links at each groundstation is not a significant factor for more than five communication links, meaning that adding more communication antennas to existing satellite groundstations would not improve constellation performance significantly.</p>

The practical handling and analysis of satellite data is outlined using the programming language Python. The limb sounding technique of the SABER instrument on board of the TIMED satellite delivers vertical profiles of kinematic temperature from the stratosphere (∼30 km) up to the lower thermosphere (∼120 km). The procedure may be summarised as follow: In the first step the level 2 data for one month are extracted from the netCDF format and arranged into a new altitude-latitude grid for the ascending and descending orbits. The longitudinal structure is rearranged applying the decomposition into zonal harmonics. Various cross sections of the data give a good overview of the thermal structure and dynamics of the atmosphere up to 120 km. The monthly values of the zonal averaged temperature are compared to the available data from stratospheric reanalyses up to 60 km as well as the initialized background climatology of general circulation models for the middle atmosphere. / In diesem Artikel soll der praktische Umgang mit Satellitendaten und deren Auswertung unter Verwendung der Programmiersprache Python skizziert werden. Auf der Basis der Horizontsondierungen des SABER Instruments auf dem TIMED Satelliten werden vertikale Profile wie die kinetischen Temperatur von der Stratosphäre (∼30 km) bis zur unteren Thermosphäre (∼120 km) gewonnen. Die Arbeitsschritte bei der Analyse lassen sich wie folgt gliedern: Als erstes werden die Level 2 Produkte eines Monats aus dem netCDF Format extrahiert und an ein neues Höhen-Breiten Gitter für jeden auf- und absteigenden Orbit angepasst. Die Längenstruktur wird mit Hilfe einer Zerlegung in harmonische Funktionen regularisiert. Diverse Querschnitte der Daten geben ein guten Überblick über die thermischen Struktur und Dynamik der Atmosphäre bis 120 km. Die Monatswerte des Zonalmittels der Temperatur werden mit denen aus operationellen Reanalysedaten (∼60 km) sowie der Hintergrundklimatologie von Zirkulationsmodellen der mittleren Atmosphäre verglichen.

L'amélioration de la compacité et du rendement des convertisseurs à découpage est une problématique centrale en électronique de puissance; elle l'est encore plus à bord des satellites où chaque gramme et chaque watt comptent. Chacun des nombreux émetteurs et récepteurs radiofréquence qui équipent les satellites de télécommunication a besoin d'être alimenté par diverses tensions, converties de façon isolée à partir du bus principal de distribution de puissance. En raison des lourdes contraintes thermiques, de fiabilité et de résistance aux radiations qui pèsent sur les composants électroniques dans les applications spatiales, les degrés de liberté pour améliorer les alimentations sont restreints, en tout cas avec les technologies actuelles de semiconducteurs qualifiés (couteuses et très en retrait des performances de l'état de l'art). La commercialisation assez récente de transistors de puissance en nitrure de gallium (GaN) à canal normalement bloqué, présentant des caractéristiques électriques supérieures à celles des meilleurs MOSFET de puissance en silicium, est prometteuse sur ce point. En effet leur robustesse intrinsèque aux radiations semble permettre leur emploi dans des convertisseurs spatiaux. Le but de ce travail est l'évaluation des apports possibles de cette technologie dans la réalisation d'alimentations DC/DC isolées pour des équipements typiques des charges utiles des satellites de télécommunication. Le fonctionnement à des fréquences de découpage plus élevées avec ces composants plus performants doit, au premier abord, réduire l'encombrement des convertisseurs à rendement égal (voire meilleur) tout en continuant à respecter le cahier des charges spécifique à chaque application. La pertinence de cette hypothèse et l'architecture de mise en œuvre la plus adéquate ont été explorées pour l'alimentation faible puissance d'un récepteur RF, avec réalisation et comparaison de plusieurs maquettes de démonstration. Afin d'aborder des convertisseurs de plus fortes puissances, une étude théorique et expérimentale des pertes par commutation dans les jambes de pont de transistors GaN a été menée. Un programme de calcul de performances a été développé en Python et mis en œuvre pour identifier l'optimum global du dimensionnement d'un convertisseur Dual Active Bridge destiné à l'alimentation d'un amplificateur RF de puissance (250 W DC). Une maquette prototype a été réalisée et a démontré l'intérêt de la topologie et des composants GaN dans cette application, tout en mettant en évidence la prédominance des pertes haute fréquence des composants magnétiques parmi les pertes totales du convertisseur. Ce dernier point s'avère finalement être la principale limitation de l'approche, précieuse pour l'ingénierie, de dimensionnement optimal par le calcul : les modèles actuellement existants d'estimation des pertes dans les éléments magnétiques se révèlent insatisfaisants pour prédire les performances de ce type de convertisseur. / Improving the compactness and efficiency of switching converters is a central issue in power electronics; even more so in satellites where every gram and every watt counts. Each of the many radio-frequency emitters and receivers onboard telecommunications satellites need to be powered by various voltages, converted in an isolated way from the main power distribution bus. Due to the strong thermal, reliability and radiation hardness constraints applying to electronic components in space applications, available degrees of freedom for improvement of power supplies are limited - at least with current qualified semiconductor technologies (which are both expensive and far behind state-of-the-art performance). The recent commercialization of gallium nitride (GaN) normally-off power transistors, having superior electrical characteristics compared to the best silicon power MOSFET, is promising on that regard. Indeed, their intrinsic radiation hardness seems to allow their use in space-grade converters. The aim of this work is the evaluation of how this technology can help improve the design of isolated DC/DC power supplies for typical hardware units of telecommunications satellite payloads. Operation at higher switching frequencies with these better performing components should, in principle, reduce converters' footprint while keeping the same (or better) efficiency level and still obeying each application's specific requirements. The accuracy of this hypothesis as well as the most adequate implementation architecture have been explored for the low power supply of a RF receiver, including realization and comparison of several demonstration boards. In order to approach higher power converters, a theoretical and experiment study of switching losses in GaN transistor bridge legs has been performed. A performance computation software has been developed in Python and used to identify the global optimum of the design of a Dual Active Bridge converter for a power RF amplifier (250 W DC). A prototype board has been built and demonstrated the interest of both the topology and GaN devices in this application, while clearly showing that high-frequency losses in magnetic components dominate total converter loss. This last issue happens to be the main limitation of the approach - precious to the engineer - of optimum design by computation: currently existing models for power loss estimation in magnetic elements are not satisfactory to predict performances of this type of converter.

In recent years, there has been an exponential growth in the use of multimedia applications. A satellite system offers great potential for multimedia applications with its ability to broadcast and multicast a large amount of data over a very large area as compared to a terrestrial system. However, the limited transmission capacity along with the dynamically varying channel conditions impedes the delivery of good quality multimedia service in a satellite system which has resulted in research efforts for deriving efficient radio resource management techniques. This issue is addressed in this thesis, where the main emphasis is to design a CAC framework which maximizes the utilization of the scarce radio resources available in the satellite and at the same time increases the performance of the system for a UMTS based satellite system supporting unicast and multicast traffic. The design of the system architecture for a UMTS based satellite system is presented. Based on this architecture, a CAC framework is designed consisting of three different functionalities: the admission control procedure, the retune procedure and the pre-emption procedure. The joint use of these functionalities is proposed to allow the performance of the system to be maintained under congestion. Different algorithms are proposed for different functionalities; an adaptive admission control algorithm, a greedy retune algorithm and three pre-emption algorithms (Greedy, SubSetSum, and Fuzzy). A MATLAB simulation model is developed to study the performance of the proposed CAC framework. A GUI is created to provide the user with the flexibility to configure the system settings before starting a simulation. The configuration settings allow the system to be analysed under different conditions. The performance of the system is measured under different simulation settings such as enabling and disabling of the two functionalities of the CAC framework; retune procedure and the pre-emption procedure. The simulation results indicate the CAC framework as a whole with all the functionalities performs better than the other simulation settings.

The capabilities of a number of remote-sensing techniques for biophysical mapping in the subarctic have been examined at Pen Island in northwestern Ontario. After a two week field reconnaissance, colour infrared aerial photography was studied and a detailed biophysical map of the area was produced. Using this knowledge LANDSAT satellite data of the site were investigated. In a visual analysis of the data, the majority of the units identified in the airphoto interpretation were detected, and these were distinguished primarily by their spectral characteristics. Digital analysis of the satellite data using the Bendix MAD system allowed many of the classes of the earlier studies to be delineated and also permitted the classification to be readily extended beyond the original site. In both LANDSAT analyses specific biophysical units could be mapped from the satellite data but could not be identified without the airphoto interpretation. / Thesis / Master of Science (MSc)

This work presents the advancements in the development of simulation models of spacecraft components as part of a testbench for verification of onboard flight software. The satellite and its mission are briefly described as to give an idea of the conditions where the simulation has to run. The simulation environment, SimTG, is also introduced and a description of the developed models is presented. The models required interaction between different simulation environments, real hardware and simulated hardware, and also some data processing was necessary in order to filter undesired information. Finally, the performance of the models was tested and verified and a sensible improvement of the state of the testbench on the simulation side was achieved, although a considerable amount of work still lies ahead before a complete onboard software verification tool is ready.

Note:

No description available.

No description available.