Ce travail de thèse porte sur la modélisation des phénomènes de propagation affectant les signaux de navigation par satellite en environnement urbain dense avec une focalisation particulière sur les multitrajets et l'aspect large bande du canal de propagation espace/Terre. Le simulateur de canal pseudo temps-réel développé, SCHUN (Simplified CHannel for Urban Navigation), repose sur une approche hybride physico-statistique. La composante statistique de la modélisation permet essentiellement de générer une ville virtuelle à partir de distributions de bâtiments connues. Le reste de la modélisation s'appuie sur une approche physique simplifiée où les interactions ondes électromagnétiques/ville virtuelle reposent d'une part sur un modèle de macro-diffusion à l'échelle des façades, (3CM (Three Component Model)), et d'autre part sur un modèle physique de masquage du trajet direct par les bâtiments. Les principales méthodes numériques sous-jacentes sont l'optique physique et la théorie uniforme de la diffraction. Le simulateur de canal SCHUN ouvre aujourd'hui des perspectives intéressantes pour la modélisation large bande du canal de propagation espace/Terre. Optimisé pour des temps de calcul raisonnables, alliant une composante statistique à une composante physique simplifiée, ce simulateur a été conçu et validé par des mesures expérimentales pour répondre à des besoins de simulation des systèmes à diversité de satellite, diversité de réception, diversité de polarisation ou encore diversité de fréquence pour des applications de navigation par satellite.

Les milieux diffusants épais et absorbant sont présents dans un grand nombre de domaine : peintures, jets, crèmes et produits cosmétiques, tissus biologiques, etc. L’étude in situ et non invasive de tels milieux est de la plus haute importance car l’enjeu est de pouvoir mesurer les propriétés physiques à l’intérieur même du système sans le perturber. L’utilisation d’un laser femtoseconde permet de sonder ces milieux en profondeur tout en effectuant des mesures de temps de vol des photons. L’objectif de cette thèse est de modéliser l’interaction entre une impulsion femtoseconde et un milieu à la fois diffusant et absorbant. L’effet principal des processus d’absorption est d’accélérer le temps de vol des photons. En effet, plus un photon reste longtemps dans le milieu, plus il aura de chance d’être absorbé. Les processus d’absorption ont en effet la propriété de « tuer » les trajectoires les plus longues, qui correspondent aux retards les plus conséquents. Une étude fine des signatures temporelles peut donc renseigner quant à la taille des particules, au coefficient d’absorption du liant, des particules ou d’autres paramètres microphysiques du milieu. Une partie conséquente du travail de thèse a consisté à étendre les modèles de diffusion temporelle au cas d'un milieu absorbant. Nous avons enfin réalisé plusieurs applications numériques à l’aide d’un code de Monte-Carlo modélisant la diffusion multiple temporelle dans un milieu absorbant. Deux cas particuliers exhibant une modification des signatures temporelles très sensibles à l’absorption ont été étudiés et illustrés de cas concret. Tout d’abord, nous montrons qu’une très faible absorption dans de grosses particules se répercute sur la signature temporelle en diffusion avant. Une application pour la détermination de la température d’alumine dans un jet de propulseur est envisagée. Ensuite, l’absorption du liant réduit les temps de vol en rétrodiffusion. Une mise en évidence expérimentale de ce phénomène ainsi qu’une comparaison avec nos modèles sont présentées.

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'aéronautique où leurs hautes performances mécaniques combinées à leur légèreté leur permettent de concurrencer les matériaux métalliques. Cependant il est aujourd'hui difficile de fabriquer en série des pièces structurales ayant des formes tridimensionnelles complexes, Si les procédés d'injection de thermoplastiques chargés de fibres courtes (100 à 1 mm) sont bien connus, les études sur l'injection des thermodurcissables à fibres longues sont rares en raison de la difficulté à les faire s'écouler sur plusieurs dizaines de millimètres pour remplir complètement les moules. La société Equip'Aéro Technique a initié des travaux portant sur le développement d'un nouveau procédé de fabrication par injection-transfert (PIMOC) de composites thermodurcissables à fibres longues (> 1 mm) discontinues. Il permet de réaliser en une seule étape des pièces aux formes tridimensionnelles sans usinage. Dans ce travail de thèse le procédé d'injection-transfert a été mis au point et fiabilisé. Ses paramètres principaux ont été identifiés. L'influence des paramètres de fabrication sur les propriétés du matériau a été établie. Les propriétés mécaniques ont ainsi pu être optimisées. Enfin, un modèle de comportement élastique endommageable avec rupture et basé sur une approche multi-critères a été développé dans le but d'initier une méthodologie de dimensionnement de plèces composites à fibres discontinues. Ces critères d'endommagement et de rupture ont été développés en accord avec les observations du comportement mécanique du matériau. L'ensemble des résultats expérimentaux et numériques a été appliqué à la fabrication et au dimensionnement d'un démonstrateur technologique.

La conception des plateformes aéronautiques s’effectue en tenant compte des aspects fonctionnels et dysfonctionnels prévus dans les scénarios d’emploi des aéronefs qui les embarquent. Ces plateformes aéronautiques sont composées de systèmes informatiques temps réel qui doivent à la fois être précises dans leurs calculs, exactes dans l’instant de délivrance des résultats des calculs, et robustes à tout évènement pouvant compromettre le bon fonctionnement de la plateforme. Dans ce contexte, ces travaux de thèse abordent les ordonnancements temps réel tolérants aux fautes. Partant du fait que les systèmes informatiques embarqués sont perturbés par les ondes électromagnétiques des radars, notamment dans la phase d’approche des aéronefs, ces travaux proposent une modélisation des effets des ondes, dite en rafales de fautes. Après avoir exploré le comportement de l’ordonnanceur à la détection d’erreurs au sein d’une tâche, une technique de validation, reposant sur le calcul de pire temps de réponse des tâches, est présentée. Il devient alors possible d’effectuer des analyses d’ordonnançabilité sous l’hypothèse de la présence de rafales de fautes. Ainsi, cette technique de validation permet de conclure sur la faisabilité d’un ensemble de tâches en tenant compte de la durée de la rafale de fautes et de la stratégie de gestion des erreurs détectées dans les tâches. Sur la base de ces résultats, les travaux décrits montre comment envisager l’analyse au niveau système. L’idée sous-jacente est de mettre en évidence le rôle des ordonnancements temps réel tolérants aux fautes dans la gestion des données erronées causées par des perturbations extérieures au système. Ainsi, le comportement de chaque équipement est modélisé, ainsi que les flots de données échangés et la dynamique du système. Le comportement de chaque équipement est fonction de la perturbation subie, et donne lieu à l’établissement de la perturbation résultante, véritable réponse dysfonctionnelle de l’équipement à une agression extérieure.

Le phénomène d’émission électronique sous impact d’électrons, bien que très étudié, est mal connue à très basse énergie (<100 eV). Un domaine d’énergie où ce phénomène est un paramètre fondamental de technologies dans le domaine spatial comme les guides d’onde radiofréquence sous vide. Afin de lieux comprendre ce phénomène à cette gamme d’énergie, une étude théorique a été entreprise par le biais d’une simulation Monte-Carlo de l’émission électronique à très base énergie. Après identification des interactions mises en jeu, nous avons sélectionné pour chaque interaction le ou les modèles existants les plus appropriés tout en leur apportant des modifications à chaque fois que cela était nécessaire. Certains modèles trouvés dans la littérature ont été utilisés pour la première fois dans le domaine de l’émission électronique. Notre approche a été appliquée à l’aluminium et a été validée expérimentalement lorsque les données existaient. L’allure de la courbe de rendement communément admise à ce jour a été contredite et expliquée par la faible probabilité d’échappement des électrons de très basse énergie, ainsi que par un traitement plus rigoureux de la réflexion des électrons de très basse énergie qui impactent le matériau. De surcroit, la simulation donne accès pour la première fois à un rendement à très basse énergie qui présente des oscillations que l’on retrouve dans les rares données expérimentales disponibles. Ces oscillations sont attribuées à l’interaction de l’électron avec les plasmons. Les simulations ont montré l’importance de la population d’électrons rétrodiffusés à très basse énergie.

Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l’aviation civile cherche de nouveaux systèmes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les systèmes de communication sol-bord existants, que ce soit les solutions par satellites en bande L (SATCOM, ...) ou les solutions cellulaires par liaison directe avec le sol (HF, VHF, ...), présentent des limites en terme de capacité, de couverture et de coût. La proposition avancée dans le cadre de cette thèse est d’utiliser les avions comme relais afin de propager les données jusqu’à une station sol. Ce système peut être vu comme un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions civils en vol. Grâce à plusieurs sauts successifs au travers d’avions relais, chaque avion doit pouvoir joindre le sol sans être à portée directe d’une station. Le réseau ad hoc ainsi formé peut ensuite être utilisé pour différentes classes de communications : contrôle aérien, services pour les compagnies aériennes ou pour les passagers. Une telle solution permettrait d’améliorer la couverture des solutions cellulaires classiques en zone continentale. Elle est également applicable en zone océanique où les seuls moyens disponibles sont actuellement le satellite et la HF. On peut imaginer que les coûts de déploiement et de maintenance seraient relativement bas puisque l’infrastructure sol est limitée. Dans cette thèse, nous avons étudié la faisabilité puis les performances qui peuvent être attendues pour ce système de communication aéronautique innovant.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la programmation mathématique appliquée à la séparation d’aéronefs stabilisés en altitude. L’objectif est le développement d’algorithmes de résolution de conflits aériens ; l’enjeu étant d’augmenter la capacité de l’espace aérien afin de diminuer les retards et d’autoriser un plus grand nombre d’aéronefs à suivre leur trajectoire optimale. En outre, du fait de l’imprécision des prédictions relatives à la météo ou à l’état des aéronefs, l’incertitude sur les données est une caractéristique importante du problème. La démarche suivie dans ce mémoire s’attache d’abord au problème déterministe dont l’étude est nettement plus simple. Pour cela, quatre modèles basés sur la programmation non linéaire et sur la programmation linéaire à variables mixtes sont développés en intégrant notamment un critère reflétant la consommation de carburant et la durée de vol. Leur comparaison sur un ensemble de scénarios de test met en évidence l’intérêt d’utiliser un modèle linéaire approché pour l’étude du problème avec incertitudes. Un champ de vent aléatoire, corrélé en temps et en espace, ainsi qu’une erreur gaussienne sur la mesure de la vitesse sont ensuite pris en compte. Dans un premier temps, le problème déterministe est adapté en ajoutant une marge sur la norme de séparation grâce au calcul d’une approximation des probabilités de conflits. Finalement, une formulation stochastique avec recours est développée. Ainsi, les erreurs aléatoires sont explicitement incluses dans le modèle afin de tenir compte de la possibilité d’ordonner des manoeuvres de recours lorsque les erreurs observées engendrent de nouveaux conflits.

L’objectif de cette thèse a consisté en l’étude des apports d’une architecture radar MIMO pour la détection d’êtres humains à l’intérieur des bâtiments. Pour ce faire, il a tout d’abord été mis en évidence sur un point théorique la supériorité d’une architecture radar MIMO comparée au SIMO, en terme de robustesse et de pouvoir discriminant de cibles rapprochées. Ensuite, les effets de la traversée du mur sur le signal radar furent décrits et une caractérisation quantitative de la transmission à travers un mur fut réalisée sur mesures expérimentales. Différents simulateurs de scénarii de détection à travers les murs ont été produits : un simulateur réaliste FDTD ainsi qu’un simulateur «comportemental» simplifié. La méthode de détection et de localisation retenue est l’imagerie radar. Ainsi, différents algorithmes d’imagerie radar pour une architecture MIMO furent développés. Des traitements incohérents (migration, multilatération), cohérents (filtrage adapté) et haute résolution (MVDR, MUSIC Time Reversal) furent détaillés. Enfin des considérations techniques (bilan de liaison, temps d’observation de la scène) ont été discutées et deux architectures radar MIMO ultra-large bande furent proposées. Une architecture radar MIMO avec 2GHz de bande et un multiplexage temporel pour l’adressage des antennes d’émission a été réalisée par le personnel du laboratoire. Des mesures expérimentales ont conduites permettant de réaliser la détection à travers les murs à l’aide du dispositif réalisé.

Les bandes de fréquences utilisées conventionnellement pour les systèmes fixes de télécommunication par satellites (bandes C et Ku i.e. 4-15 GHz) sont congestionnées. Néanmoins, le marché des télécommunications civil et de défense accuse une demande de plus en plus importante en services multimédia haut-débit. Par conséquent, l'augmentation de la fréquence porteuse vers les bandes Ka et Q/V (20-40/50 GHz) est activement étudiée. Pour des fréquences supérieures à 5 GHz, la propagation des signaux radioélectriques souffre de l'atténuation troposphérique. Parmi les différents contributeurs à l'affaiblissement troposphérique total (atténuation, scintillation, dépolarisation, température de bruit du ciel), les précipitations jouent un rôle prépondérant. Pour compenser la détérioration des conditions de propagation, des techniques de compensation des affaiblissements (FMT: Fade Mitigation Technique) permettant d'adapter en temps réel les caractéristiques du système en fonction de l'état du canal de propagation doivent être employées. Une alternative à l'utilisation de séries temporelles expérimentales peu nombreuses est la génération de séries temporelles synthétiques d'atténuation due à la pluie et d'atténuation totale représentatives d'une liaison donnée. Le manuscrit est organisé autour de cinq articles. La première contribution est dédiée à la modélisation temporelle de l'affaiblissement troposphérique total. Le deuxième article porte sur des améliorations significatives du modèle de génération de séries temporelles d'atténuation due à la pluie recommandé par l'UITR. Les trois contributions suivantes constituent une analyse critique et une modélisation de la variabilité des statistiques du 1er ordre utilisées lors des tests des modèles de canal. La variance de l'estimateur statistique des distributions cumulatives complémentaires de l'atténuation due à la pluie et de l'intensité de précipitation est alors mise en évidence. Un modèle à application mondiale paramétré au moyen de données expérimentales est proposé. Celui-ci permet, d'une part, d'estimer les intervalles de confiance associés aux mesures de propagation et d'autre part, de quantifier le risque en termes de disponibilité annuelle associée à la prédiction d'une marge de propagation donnée. Cette approche est étendue aux variabilités des statistiques jointes. Elle permet alors une évaluation statistique de l'impact des techniques de diversité de site sur les performances systèmes, tant à microéchelle (quelques kms) qu'à macro-échelle (quelques centaines de kms).

Dans le domaine aéronautique les structures sont soumises à de la fatigue sonique due aux phénomènes aéro-acoustiques. Le dimensionnement statique actuel des avions composites couvre les cas de charge en fatigue. Mais avec le besoin de toujours plus réduire la masse de l’avion et l’augmentation des connaissances dans le comportement matériau, les marges statiques vont être réduites dans un futur proche et la propagation par fatigue deviendra un enjeu majeur. Il sera donc nécessaire d’évaluer la possibilité de propagation d’un délaminage dû à une erreur de fabrication ou un impact dans une structure composite. Dans ce contexte, une méthode a été proposée pour étudier la propagation de délaminage sous chargement vibratoire. Tout d’abord, des essais de caractérisation de la propagation de délaminage sous chargement vibratoire ont été mis en place et validés pour les deux principaux modes de rupture. Les effets induits par la fréquence élevée de sollicitation, auto-échauffement induit et vitesse de chargement élevée, ont été pris en compte dans la mise au point et le traitement de ces essais. Ensuite, des outils numériques ont été développés pour permettre la simulation d’une structure délaminée sous chargement vibratoire et l’étude de la propagation du délaminage. A l’aide des approches expérimentales et numériques mises en place et des données matériau identifiées, l’analyse a pu être conduite sur un cas réel de structure aéronautique. Un essai de fatigue vibratoire sur une structure de reprise de plis a ainsi été réalisé. L’évolution du délaminage pendant l’essai est représenté de façon satisfaisante par le modèle numérique.