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<div>With the increasing frequency of satellite launches and proposed constellations for Earth observation and communications, the number of objects in orbit is expected to increase significantly in the coming decades. This trend brings to question the current orbital debris problem, which will continue to worsen if proper deorbit guidelines are not met for future satellites. Currently, the primary system that is utilized for deorbiting is a propulsion system that performs a maneuver at the end of mission and delivers the satellite on an orbit that satisfies deorbit guidelines. However, this method suffers from reliability concerns since it requires that the host spacecraft be operational to perform the maneuver and it also significantly increases the cost and complexity of the satellite if a propulsion system is not already being used for the mission. These issues with complexity, cost, and robustness could potentially be solved by a different class of deorbiting system, a drag sail.</div><div><br></div><div>In this thesis, the effects of perturbations on the orbital and attitude motion of drag sails are analyzed in order to extend the current understanding of drag sails as a deorbiting system. The perturbations considered in the orbit-attitude propagator are aerodynamic drag, solar radiation pressure, Earth oblateness effects, and gravity gradient torques. Different drag sail types, sail materials, deployment epochs, and deployment locations in Earth orbit are also considered in order to extend the analysis to different types of missions and to understand how these parameters influence the effects of the perturbations. Additionally, a self-shadowing algorithm and efficient implementation approach is developed in order to improve the fidelity of the aerodynamic drag and solar radiation pressure perturbations.</div>

Cotutelle avec l'Université de Poitiers, France / Lors du processus de création d’une image de synthèse photoréaliste, l’objectif principal recherché est de reproduire le transport de la lumière dans un environnement virtuel, en prenant en compte aussi précisément que possible les caractéristiques des objets de la scène 3D. Dans la perception de notre environnement, les détails très fins ont une grande importance sur l’apparence des objets, tels que des rayures sur un morceau de métal, des particules dans du vernis, ou encore les fibres d'un tissu. Il est primordial de pouvoir les reproduire à tout niveau d'échelle. Créer ces détails grâce à des informations géométriques, par exemple un maillage, mène à une trop forte complexité en termes de construction, de stockage, de manipulation et de temps de rendu. Il est donc nécessaire d’utiliser des modèles mathématiques qui permettent d’approcher au mieux les comportements lumineux induits par ces détails. Le travail de cette thèse s'inscrit dans cette problématique de gestion des détails fins par la théorie des microfacettes. En particulier, nous nous sommes intéressés à la notion de masquage-ombrage permettant de calculer la proportion de surface qui est à la fois visible de l’observateur et éclairée. Pour cela, nous étudions le modèle théorique proposé par Smith et par Ashikhmin et al. dans lequel la représentation mathématique est basée sur des contraintes liées à la position des facettes, leur orientation, leur aire et les corrélations entre ces caractéristiques. Nous avons éprouvé le modèle sur plus de 400 maillages 3D reconstruits à partir de surfaces réelles qui ne respectent pas nécessairement les contraintes imposées du modèle. Quelques maillages sont également générés à partir de distributions des orientations de microfacettes de Beckmann et GGX largement utilisées dans les moteurs de simulation académiques et industriels. Pour chacun des maillages, une fonction de masquage de référence est mesurée grâce à un algorithme de tracer de rayons. Nous pouvons ainsi comparer le masquage réel d'une microsurface prenant en compte la donnée dans son entièreté, à son masquage théorique calculé seulement par la distribution de ses micronormales. Cette étude met en évidence un lien entre l'erreur du masquage théorique et certaines caractéristiques de la microsurface, telles que sa rugosité, son anisotropie, ou le non respect des contraintes du modèle. Nous proposons une méthode pour développer un modèle prédictif de l'erreur calculable à partir de ces caractéristiques et sans avoir recours au lourd processus de tracer de rayons. L’analyse montre également le lien entre l'erreur au niveau du terme de masquage et sa répercussion dans le rendu final d'une image de synthèse. La possibilité de prédire l'erreur grâce à un processus rapide permet d'estimer la complexité de l'usage d'une microgéométrie dans un rendu photoréaliste. Nous complétons nos travaux en proposant un facteur correctif au masquage théorique pour les surfaces isotropes, là encore calculable directement à partir des caractéristiques du maillage. Nous montrons le gain de précision que cette correction apporte, tant au niveau du masquage lui-même qu'au niveau des rendus d'images de synthèse. La thèse est conclue avec une discussion présentant les limites actuelles de notre étude et ses perspectives futures. / During the creation process of a photorealistic image, the main goal is to reproduce light transport in a virtual environment by considering as accurately as possible the characteristics of the surfaces from the 3D scene. In the real world, very fine details may have a tremendous impact on the visual aspect. For instance, scratches over metal, particles within varnish, or fibers of a fabric, will visually alter surface appearance. It is therefore crucial to be able to simulate such effects at every level of detail. However, creating such microgeometry for a given 3D mesh is a complex task that results in very high memory requirements and computation time. Mathematical models must be used to approximate as precisely as possible light effects produced by these details. This thesis considers fine details from the microfacet theory, and in particular, the masking-shadowing factor that corresponds to the proportion of microsurfaces that are both visible and illuminated. We study the commonly used theoretical model of Smith and Ashikhmin et al. where the mathematical representation is derived from constraints about microfacets positions, orientations, areas, and correlations between those characteristics. The proposed model has been confronted to more than 400 3D meshes, built from real-world measured surfaces that do not necessarily fulfill the theory constraints. Some of them have also been generated from the widely used Beckmann and GGX distributions. For each mesh, the ground-truth masking effect is measured using ray tracing, and compared with the theoretical masking computed only from the distribution of micronormals. Our study highlights a connection between the theoretical masking's error and some microsurface's characteristics, such as roughness, anisotropy, or non-compliance with required constraints. We provide a method for deriving a predictive model for this error. The mesh characteristics are sufficient to compute this model without requiring heavy ray tracing computation. Our analysis shows how the masking error impacts the rendering process. We also derive a model capable of predicting rendering errors from surface characteristics. With the opportunity to predict the error with a fast computation from a 3D mesh, one can estimate the complexity to use a given microgeometry for a photorealistic rendering. Our study concludes with the formulation of a correction function added to the theoretical masking term for isotropic surfaces. This correction is computed directly from the 3D mesh characteristics without any ray tracing involved. We show gains in the accuracy of the model when corrected with our formula, both for the masking effect itself and its impact on the exactness of the renderings. This thesis is concluded with a discussion about the current limitations of our study and some future perspectives.