Les situations inconnues, i.e. jamais rencontrées ni anticipées, peuvent survenir lors de missions aérospatiales, comme dans le cas de la mission Apollo 13. Ainsi, l’équipage du premier vol habité vers Mars traitera probablement des situations inconnues (Orasanu, 2005) dans cet environnement potentiellement contraint, volatil et extrême tout en étant isolé de l’aide du centre de contrôle sol du fait des délais de communication. Or, un équipage ne peut pas être entrainé à traiter toutes les situations et a fortiori les situations inconnues (Noe, Dachner, Saxton et Keeton, 2011). Le présent travail de recherche est donc centré sur l’amélioration de la performance opérationnelle collective face à une situation inconnue en vol spatial habité vers Mars. La littérature étudiée (McLennan, Holgate, Omodei et Wearing, 2006 ; Noe et al., 2011) indique qu’une équipe partageant des expériences augmente sa compétence. En revanche, soit cette littérature est centrée sur une activité précise, soit elle ne discrimine pas les différents types d’expérience. De plus, la préparation d’une équipe pour réagir à une situation inconnue n’est pas abordée dans cette littérature. Potentiellement influencée par le partage d’expériences au niveau collectif, la métacognition est un levier reconnu d’augmentation de la performance en résolution de problèmes. La métacognition est définie comme la cognition sur la cognition (Flavell, 1979) et est modélisée en différentes étapes de raisonnement lors de résolutions de problèmes. Néanmoins, il n’est pas établi de lien entre d’une part le suivi de ces étapes ou leur mélange entre elles (i.e. la netteté métacognitive) et d’autre part l’amélioration de la performance opérationnelle collective en résolution de problème. Pour répondre à ces problématiques, un protocole spécifique (LETUCA) a été conduit durant vingt mois. Trois équipes stables ont été mises à l’épreuve de douze problèmes conçus pour ce travail ou adaptés de la littérature. La première a partagé un maximum d’expériences, la deuxième était constituée d’équipiers vivant les mêmes expériences, mais majoritairement séparément. La troisième n’a pas vécu d’expérience particulière. Ces trois équipes sont caractérisées selon les qualités des expériences vécues relativement à un entrainement fictif à l’inconnu. Ces qualités sont déterminées par des professionnels pouvant faire face collectivement à des situations inconnues. Les résultats obtenus soutiennent l’existence d’un lien entre le partage d’expériences diversifiées et de qualité et la performance opérationnelle collective en résolution de problèmes inconnus. L’étude de la métacognition permet de préciser ce lien : aucune relation n’est établie entre la performance et le suivi ou non du modèle de métacognition retenu. En revanche, un lien est confirmé entre les hautes valeurs de netteté métacognitive et l’augmentation de la performance opérationnelle. Finalement, l’ensemble des résultats permet de construire un modèle métacognitif collectif empirique en résolution de problème.

Les systèmes de navigation par satellites GNSS ne cessent d’évoluer et ils sont déjà utilisés dans de nombreuses applications. Avec la venue des nouveaux systèmes Galileo et BeiDou ainsi que la modernisation des systèmes GPS et GLONASS, de nouveaux satellites ainsi que de nombreuses nouvelles fréquences et de nouveaux signaux feront leur apparition dans les prochaines années et qui vont encore ouvrir la porte à d’innombrables nouvelles applications. L’évolution rapide de la téléphonie mobile nécessite une meilleure exploitation des systèmes de navigation et de positionnement dans les environnements urbains. Jusqu'à maintenant, les signaux de navigation GPS ne peuvent pas être bien captés dans les environnements urbains. Les niveaux des signaux y sont très faibles et il est presque impossible d’acquérir et de poursuivre les signaux de façon autonome à cause de l'importance des obstacles. De plus, le positionnement à l’intérieur et dans les environnements urbains sont aussi soumis aux problèmes de multi-trajets, de masquage, d’interférences et de brouillages. Dans ces conditions, il faut pouvoir traiter des signaux très dégradés ou très courts qui ne permettent pas au récepteur d’effectuer le processus de poursuite. Ainsi, cela nous conduit à la nécessité de repenser l'architecture du récepteur GNSS pour les applications modernes. Ce projet de thèse consiste à développer de nouvelles méthodes et architectures de récepteur GNSS de haute sensibilité et robuste aux dégradations des signaux tout en concevant de nouveaux algorithmes intégrés dans un récepteur GNSS hybride capable de fonctionner dans les environnements urbains profonds ou « intérieurs ». La méthodologie prévoit l’utilisation de la nouvelle approche de « détection collective (CD) » ou « acquisition collaborative ». L'approche collaborative qui traite tous les signaux multi-satellites ouvre une solution intéressante. De nombreuses techniques existent dans la littérature pour résoudre les problèmes de positionnement dans les environnements urbains, mais nous proposons la nouvelle approche de détection collective en raison de sa performance en tant que méthode de positionnement direct et méthode d'acquisition de haute sensibilité, par l'application de la détection vectorielle de tous les satellites visibles. En effet, la bonne combinaison des valeurs de corrélation de plusieurs satellites peut réduire le niveau de C/N0 requis des signaux satellites par les algorithmes standards de traitement (acquisition et poursuite) qui ne peuvent pas être acquis individuellement mais permettent de contribuer de manière constructive à une solution collective de positionnement pour chaque utilisateur. L’objectif est de détecter collaborativement les satellites. La combinaison de différents signaux GNSS peut considérablement augmenter la sensibilité d'acquisition du récepteur. Malgré les avantages de cette approche, elle présente également des inconvénients tels que la charge de calcul élevée en raison du grand nombre de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Ainsi, le travail proposé dans cette thèse consiste à réduire la complexité du CD en optimisant la recherche de points candidats dans le domaine position/biais d’horloge. Enfin, l'objectif est d'appliquer l'approche de détection collective au positionnement GNSS coopératif pour la navigation moderne dans des environnements difficiles. Pour cela, des algorithmes d'exploitation optimale des ressources du récepteur en sélectionnant les meilleurs satellites ou la station de référence seront développés selon certains critères tels que le niveau du rapport signal sur bruit (C/N_0), l’angle d’élévation des satellites ainsi que la configuration géométrique des satellites visibles. L’objectif final est de proposer une nouvelle architecture de récepteur cognitif de haute sensibilité permettant de recevoir de façon optimale les nouveaux signaux GNSS.

L'objectif est de cette thèse est de développer, de tester puis d'implémenter des schémas de surveillance et d'estimation des paramètres essentiels aux pilotes et aux lois embarquées, offrant ainsi une alternative et un complément aux signaux mesures par les capteurs. Les méthodes développées au cours de la thèse ont donc plusieurs finalités applicatives : estimer les états avion ainsi que des paramètres externes (comme le vent et les erreurs de modélisation), détecter la défaillance d'un ou plusieurs capteurs lorsqu'un dysfonctionnement se produit, et enfin s'adapter à cette dégradation de manière à continuer à délivrer des estimées exploitables par les systèmes sur un horizon temporel plus ou moins long. D'un point de vue pratique, dans le domaine de la détection, on cherchera à ce que le processus de détection d'une panne soit capable : 1) de distinguer une faute sur les sondes d'incidence d'une faute sur le paramètre de vitesse conventionnelle ou d’une erreur sur la masse renseignée par le pilote dès le début du vol. Une faute sur un de ces paramètres est aujourd'hui détectée sans qu'une isolation de la source ne soit possible 2) d'identifier des modes communs de panne, c'est-à-dire un embarquement simultané cohérent de plusieurs capteurs mesurant le même paramètre. La redondance matérielle utilisée aujourd'hui ne permet pas de détecter un embarquement simultané cohérent de deux ou trois capteurs 3) de sélectionner les sources toujours valides lorsque le schéma de vote majoritaire détecte une faute d'un capteur. Le schéma actuellement en usage sur avion combine les sources redondantes pour délivrer une mesure consolidée. En cas d'invalidation de celle-ci suite à la perte d'au moins deux capteurs, il est en effet possible que le troisième soit toujours valide et puisse être utilisé pour le reste du vol. Les bénéfices potentiels à plus long terme se situent donc dans l'amélioration des performances (en réduisant par exemple le nombre de commutations de lois), et dans la diminution de la charge de travail des pilotes en accroissant encore la disponibilité des fonctions de haut niveau destinées à les seconder et à alléger leur tâche (protections du domaine de vol, pilote automatique, etc.). La détection de modes communs de panne participera aussi à augmenter encore la sécurité en vol.

Les ceintures de radiation de la planète géante Jupiter sont constituées d’électrons, de protons et d’ions lourds de très haute énergie. Ces particules chargées représentent un risque majeur pour les satellites artificiels cherchant à explorer Jupiter. Dans le même temps, comprendre l’origine et la répartition de ces particules est une problématique fondamentale du domaine de la Physique de l’Espace. Le modèle physique Salammbô de l’ONERA répond aux deux enjeux précédents. Il a été développé pour le cas de la planète géante au cours de deux thèses successives qui se sont terminées en 2004 [Santos-Costa, 2001 ; Sicard, 2004]. Les travaux précédents ont permis de mettre en place un modèle d’électron qui s’étend de l’atmosphère de Jupiter jusqu’à l’orbite d’Europe (9 Rj) et un modèle de proton jusqu’à l’orbite de la lune volcanique Io (6 Rj). Depuis cette date, la mission américaine Galileo, qui fut en orbite autour de Jupiter jusqu’en 2003, a livré de nombreuses informations sur les ceintures de radiation et sur l’environnement qui influence celles-ci. Cette thèse revisite le modèle électron et étend le modèle proton jusqu’à l’orbite d’Europe. Cela permet, en particulier, de montrer que les ondes électromagnétiques se propageant entre les orbites des lunes Io et Europe induisent des pertes significatives de particules, celles-ci étant précipitées dans l’atmosphère de Jupiter. Les modèles proposés au cours de cette thèse sont également mieux à même de prédire l’environnement extrême et limitant des ceintures de radiation que les précédents travaux.

Les robots manipulateurs sont généralement des machines rigides, conçues pour que leur flexibilité ne perturbe pas leurs mouvements. En effet, des flexibilités mécaniques importantes dans la structure d’un système introduisent des degrés de liberté supplémentaires dont le comportement est complexe et difficile à maîtriser. Cependant, la réduction de la masse d’un système est bénéfique du point de vue des coûts, de la performance énergétique, de la sécurité et des performances dynamiques. Afin de faciliter l’accès aux nombreux avantages d’une structure légère malgré la présence de fortes flexibilités, cette thèse porte sur la modélisation, la conception et la commande de robots manipulateurs flexibles. Elle est motivée par le projet YAKA, dont l’application est le lancement et la récupération de drones à voilure fixe depuis un navire faisant route. Cette application nécessite une importante dynamique sur un vaste espace de travail, bien au-delà des spécifications des robots rigides classiques. Les outils de modélisation, de conception et de commande proposés prennent en compte la flexibilité des segments et des articulations, pour un nombre quelconque de degrés de liberté et de segments flexibles. Le modèle dynamique flexible est obtenu par le formalisme de Lagrange, les poutres flexibles sont représentées par le modèle d’Euler-Bernoulli. Le schéma de commande proposé se décompose en une inversion de modèle dynamique rigide et un bloc de précommande par Input Shaping adapté aux robots manipulateurs flexibles. Les outils de conception proposés permettent de baser le processus de conception sur des performances prédites du système complet muni de ses actionneurs et de son contrôleur avec une simulation réaliste. Les validations expérimentales effectuées sur le robot YAKA permettent de valider la pertinence de la démarche suivie. Les résultats du projet YAKA confirment la faisabilité de la mise en oeuvre d’un robot flexible de grande envergure et à forte dynamique dans un contexte industriel, en particulier pour le lancement et la récupération d’un drone à voilure fixe depuis un navire faisant route.

Il y a soixante ans, le 4 octobre 1957, Spoutnik, le premier satellite artificiel conçu par l’homme, est envoyé dans l’espace. Sa seule fonction est d’émettre un bip radio à des fréquences de 20 et 40 MHz pour démontrer la puissance spatiale de l’URSS. Depuis cette époque les satellites se sont multipliés et leurs missions se sont diversifiées. Aujourd’hui, les missions des satellites sont si variées que certains quittent l’orbite terrestre. On parle dans ce cas de sondes, même si, dans le reste de cette thèse, ils seront inclus dans le terme "satellite". La mission des satellites la plus connue du grand public est la découverte de l’univers et l’exploration interplanétaire avec de célèbres satellites comme le télescope spatial international Hubble ou des sondes comme Rosetta, Voyager 1 et 2, ... Cependant de nos jours, même si l’exploration spatiale reste un enjeu majeur de l’humanité, la plupart des satellites ont des missions plus modestes qui ont pourtant un impact important sur la vie économique et politique. Les satellites en question ont aujourd’hui deux buts : la défense et le commercial. Dans les deux cas on peut diviser les satellites en deux groupes distincts : les satellites d’observation et les satellites de télécommunication. Pour fonctionner tous ces satellites utilisent un harnais électrique. Le harnais électrique regroupe tous les câbles présents dans le satellite et qui ne transportent pas de données client. Dans le cadre de cette thèse nous nous intéressons à l’optimisation de la conception du harnais électrique des satellites.

L'augmentation du nombre de systèmes interconnectés et l’expansion des données échangées dans les réseaux avioniques ont contribué à la complexification des architectures de communication. Pour gérer cette évolution, une nouvelle solution basée sur un réseau coeur haut débit, e.g., l'AFDX (Avionics Full DupleX), a été implémentée sur l'A380. Cependant, il reste des réseaux bas débit, e.g, CAN ou A429, utilisés pour certaines fonctions spécifiques. Cette architecture réduit le délai de développement, mais en contrepartie, elle conduit à de l’hétérogénéité et à de nouveaux challenges pour garantir les contraintes temps-réel. Pour résoudre ces challenges, une architecture homogène basé sur l'AFDX pourrait apporter de grands avantages, tels que une facilité de l'installation et maintenance, et une réduction de poids et coûts. Cette architecture homogène doit supporter des applications de criticités mixtes, où coexistent les trafics critiques (SCT), Best-effort (BE) et le trafic AFDX actuel (RC). Pour atteindre ce but, nous commençons par évaluer les avantages et les inconvénients des solutions existantes par rapport aux contraintes avioniques. Cela nous conduit à sélectionner le Burst Limiting Shaper (BLS) (proposé par le groupe IEEE Time Sensitive Networking (TSN)) allié à un ordonnanceur Static Priority non-preemptif. Ainsi, nous identifions quatre contributions principales dans cette thèse. Tout d'abord, nous spécifions un AFDX étendu avec le TSN/BLS. Une analyse préliminaire basée sur de la simulation a donné des résultats encourageants pour poursuivre sur cette voie. En second, nous détaillons une analyse temporelle de l'AFDX étendu, grâce au Network Calculus, pour calculer des bornes maximales des délais pire cas des différents types de trafic, pour prouver le déterminisme du réseau et le respect des contraintes temporelles. Une analyse de performance préliminaire montre l'efficacité de la solution à améliorer les délais de RC, tout en garantissant les contraintes. Cependant, cette analyse a aussi montré certaines limitations du modèle en termes de pessimisme. Notre troisième contribution est par conséquent la réduction de ce pessimisme, grâce à une seconde modélisation de l'AFDX étendu, et à une méthode de paramétrage des variables système. Cette méthode permet d'améliorer les performances de RC tout en garantissant les contraintes temporelles du SCT et RC. Finalement, nous validons notre proposition à travers des études de cas avioniques réalistes pour vérifier son efficacité. Les résultats montrent une forte amélioration des délais de RC ainsi que de l'ordonnançabilité de SCT et RC, en comparaison à l'AFDX actuel et au Deficit Round Robin.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l’automatique, et a pour but de fournir des outils utiles à l’atterrissage en mer d’hélicoptères (sur navire ou plateforme) et employés dans le cadre d’un potentiel pilotage automatique. L’objectif a donc été de développer une série de lois de commande pilotées manuellement, puis commandées de façon autonome à l’aide d’informations caméra. Les lois ainsi développées à l’aide de modèles dynamiques d’hélicoptères, limitations mécaniques incluses, se basent sur les critères de Qualité de Vol issus de la norme ADS-33. L’ensemble a fait appel à une approche anti-windup pour améliorer la robustesse face aux situations d’actionneurs en saturation. Enfin les lois issues de ces travaux ont été testées en temps-réel sur le banc de pilotage d’hélicoptères de l’ONERA Salon-de-Provence.

Le développement d’aéronefs « plus » voire « tout » électriques a pour conséquence la conception d’architectures électriques embarquées de plus en plus complexes entraînant une très nette augmentation du nombre de câbles électriques à déployer au sein des véhicules. Parmi les contraintes rencontrées lors des phases de définition et d’intégration des réseaux de câblages, les aspects de compatibilité électromagnétique et de gestion des échauffements thermiques deviennent de plus en plus critiques. Ainsi, ces travaux de thèse sont dédiés au développement d’une méthodologie permettant la prédiction d’une part, des courants induits par et sur les réseaux de câblages et d’autre part, de leur niveaux d’échauffement. En particulier, l’analyse bibliographique effectuée à cette occasion montre que les phénomènes électrostatiques (à la base de la théorie des lignes de transmission) et de conduction stationnaire de la chaleur sont strictement analogues, ce qui autorise une résolution simultanée de ces deux problèmes pour les réseaux de câblages considérés. Les présents travaux démontrent que le calcul des paramètres électriques primaires (p.u.l) du réseau et de la distribution de température dans le plan transverse peut se faire de manière totalement couplé à l’aide d’un schéma numérique basé sur la Méthode des Moments (MoM). Le choix de l’utilisation des équations intégrales pour la résolution de ce problème de potentiel se fonde sur plusieurs avantages tels qu’une utilisation optimisée des ressources de calcul et l’utilisation d’algorithmes efficaces de résolution, de surcroît naturellement parallélisables pour de futurs développements. Les outils de calculs thermiques développés dans le cadre de cette thèse, et qui ont vocation à être intégrés dans la suite logicielle CRIPTE de l’ONERA, ont fait l’objet d’une validation expérimentale pour plusieurs configurations de harnais électriques. Les comparaisons simulations-mesures présentent de bons accords bien que les expérimentations menées aient montré la difficulté d’obtenir précisément des valeurs du coefficient d’échange thermique, même dans des conditions parfaitement maîtrisées. Les travaux ouvrent enfin des perspectives nouvelles sur l’optimisation en terme de masse des réseaux de câblage (EWIS).