Cette thèse à pour but d'étudier des alternatives à l’augmentation des faisceaux dans des systèmes satellite THD de prochaine génération, évaluant des stratégies pour augmenter de manière significative la capacité totale du système. Dans ce contexte, les schémas de réutilisation de fréquence (FR) agressives viennent naturellement dans l'esprit afin d'augmenter les ressources globales en bande passante et, par conséquent, augmenter la capacité globale du système. Cependant, ces schémas mènent à une augmentation des interférences co-canal, rendant l'utilisation du spectre supplémentaire pas tellement efficace. Visant à trouver une solution à ce défi, des techniques basées sur des interférences ont été évaluées dans un contexte satellitaire réaliste, correspondant au précodage linéaire et la réutilisation fréquentielle fractionnelle (FFR). Le précodage linéaire est une technique MIMO qui permet l’application des schémas de réutilisation plus agressifs en traitant conjointement les signaux transmis afin de pré-compenser les interférences co-canal. Cette technique a été étudiée dans le cadre des systèmes THD et sa performance dérivé en considérant une caractérisation réaliste antenne, prouvant l'importante amélioration dans la capacité totale du système. Des stratégies de scheduling ont été également étudiées et des algorithmes évalués, prouvant que d'autres améliorations peuvent être réalisées considérant mécanismes intelligents de scheduling. Une autre voie d'augmenter les ressources spectrales par faisceau a été étudiée considérant des schémas FFR, utilisés en grande partie dans les réseaux mobiles terrestres (c.-à-d. WiMax, LTE…).

Un nouveau modèle de turbulence adapté aux écoulements turbulents soumis à la flottabilité a été développé en utilisant la configuration du canal plan vertical différentiellement chauffé comme référence. L’étude des DNS disponibles pour chacun des régimes de convection a montré les défauts des relations constitutives classiques conduisant à la mauvaise représentation des écoulements de convection naturelle. Ces modèles ne prennent en compte ni le couplage des champs thermique et dynamique ni l’anisotropie de l’écoulement, tout deux induits par la flottabilité. Une approche algébrique a donc été utilisées. L’hypothèse d’équilibre local a été validée dans une large partie du canal sauf dans la région de paroi et au voisinage d’un gradient de vitesse nul, quel que soit le régime de convection. Les modèles homogènes et pariétaux pour les corrélations de pression ont été étudiés et sélectionnés. Deux modèles EARSM et EAHFM prenant en compte les termes de flottabilité ont été développés. Ces modèles intègrent aussi des traitements spécifiques à la paroi reposant sur la pondération elliptique. Ils sont couplés à un modèle corrigé pour mieux représenter le pic d’énergie cinétique turbulente près de la paroi. Le modèle complet a été confronté aux DNS sur la configuration du canal pour chacun des régimes de convection à travers des tests a priori et des calculs complets montrant des résultats très encourageants et de meilleures prévisions que les modèles classiques.

L'’imagerie spatiale est aujourd'hui un outil indispensable au développement durable, à la recherche et aux innovations scientifiques ainsi qu’à la sécurité et la défense. Fort de ses excellentes performances électro-optiques, de son fort taux d’intégration et de la faible puissance nécessaire à son fonctionnement, le capteur d’images CMOS apparait comme un candidat sérieux pour ce type d’application. Cependant, cette technologie d’imageur doit être capable de résister à l’environnement radiatif spatial hostile pouvant dégrader les performances des composants électroniques. Un nombre important d’études précédentes sont consacrées à l’impact des effets ionisants sur les imageurs CMOS, montrant leur robustesse et des voies de durcissement face à de telles radiations. Les conclusions de ces travaux soulignent l’importance d’étudier les effets non-ionisants, devenant prépondérant dans les imageurs utilisant les dernières évolutions de la technologie CMOS. Par conséquent, l’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier l’impact des effets non-ionisants sur les imageurs CMOS. Ces effets, regroupés sous le nom de déplacements atomiques, sont étudiés sur un nombre important de capteurs d’images CMOS et de structures de test. Ces dispositifs sont conçus avec des procédés de fabrication CMOS différents et en utilisant des variations de règle de dessin afin d’investiguer des tendances de dégradation commune à la technologie d’imager CMOS. Dans ces travaux, une équivalence entre les irradiations aux protons et aux neutrons est mise en évidence grâce à des caractéristiques courant-tension et des mesures de spectroscopie transitoire de niveau profond. Ces résultats soulignent la pertinence des irradiations aux neutrons pour étudier les effets non-ionisants. L’augmentation et la déformation de l’histogramme de courant d’obscurité ainsi que le signal télégraphique aléatoire associé, qui devient le facteur limitant des futures applications d’imagerie spatiale, sont évalué et modélisés. Des paramètres génériques d’évaluation des effets des déplacements atomiques sont mis en évidence, permettant de prévoir le comportement des capteurs d’images CMOS en environnement radiatif spatial. Enfin, des méthodes d’atténuation et des voies de durcissement des imageurs CMOS limitant l’impact des déplacements atomiques sont proposées.

Les missions d'exploration planétaires dans l'avenir demandent une grande précision sur la position de l'atterrissage à la surface de Mars, de la Lune ou d'astéroïdes. Les technologies utilisées dans les sondes interplanétaires récentes ou dans le futur proche sont encore loin de cette capacité : par exemple, le robot Mars Science Laboratory, qui sera lancé en 2011, se posera en un endroit qui n'est connu qu'avec une précision de l'ordre de 10 km. Le premier objectif de cette thèse est de proposer un système de navigation absolue pour les sondes interplanétaires lunaires ou martiennes qui se base sur la vision, nommé "Landstel". Contrairement aux systèmes de navigation absolue qui se basent sur la détection et l'appariement des cratères ou directement sur l'intensité des images perçues, Landstel exploite la topologie des amers détectés dans les images. Par conséquent, il n'est pas restreint à aucune surface particulière. Landstel montre aussi une grande robustesse par rapport aux variations de condition d'illumination et au bruit des capteurs embarqués, et ne requiert que très peu de mémoire. Le deuxième objectif de la thèse est de proposer un cadre pour intégrer Landstel dans un système de navigation complète, appelé VIBAN, qui comprend des capteurs inertiels et/ou un système d'odométrie visuelle. La position absolue estimée par Landstel est d'abord validée avec les appariements de l'odomètre visuel, puis elle est combinée avec l'estimation de l'odomètre visuel avec un filtre de Kalman pour améliorer sa précision. La position mise à jour est ensuite retournée à Landstel pour accélérer le système de navigation en réduisant la zone de recherche des appariements et aussi le taux de fausses estimations. Finalement, les amers suivis par l'odomètre visuel sont fournis à Landstel pour augmenter le nombre des appariements. De très nombreuses expériences avec PANGU, un simulateur de terrain, et avec des images réelles, valident le système proposé.

La détermination de la position de la transition laminaire/turbulent est un enjeu majeur de l'aérodynamique moderne. De nombreuses expériences ont montré qu'au sein de couches limites soumises à de fortes perturbations extérieures, le scénario classique de transition par ondes de Tollmien-Schlichting n'est plus valide. Dans de telles conditions, les perturbations prennent la forme de modes de Klebanoff plus communément appelés stries. Ces stries peuvent être amplifiées de façon transitoire et déclencher une transition prématurée, dite Bypass, signifiant que la transition naturelle a été court-circuitée. Le problème est qu'à l'heure actuelle, il n'existe pas de modèle permettant de prévoir cette transition Bypass. L'objectif de cette thèse est de proposer un critère de transition lorsque l'étude du mode de Tollmien-Schlichting ne fournit plus de renseignements pertinents. La première étape a consisté à déterminer les caractéristiques des stries les plus amplifiées dans une couche limite bidimensionnelle compressible ; bien que cette approche fournisse des résultats cruciaux, les stries ainsi calculées correspondent à un état optimum qui peut se révéler très éloigné de l'état physique obtenu expérimentalement. L'étape suivante a donc consisté à mettre en place un modèle, s'appuyant sur la théorie des perturbations optimales, permettant de prévoir la transition Bypass au sein de couches limites soumises à un environnement extérieur fortement perturbé. L'application du modèle à des couches limites soumises à une forte turbulence extérieure ou se développant sur des parois rugueuses a fournit des résultats pertinents aux regards des valeurs expérimentales existantes.

Les oscillateurs optoélectroniques sont actuellement une alternative compétitive aux oscillateurs entièrement électriques. Les technologies actuelles sont assez performantes en termes de bruit de phase et de largeur de raie et ont ainsi donné naissance à une nouvelle génération d’oscillateurs. Dans cette thèse, nous utilisons ce type d’oscillateur pour générer un signal à une fréquence f0. Ce signal peut être utilisé comme référence d’un système générateur d’harmoniques de fréquence (HFG) qui permet de multiplier la fréquence du signal de référence, pour obtenir des signaux à des fréquences 2f0, 4f0 et 6f0. Une première partie de ces travaux est dédiée à l’étude des oscillateurs optoélectroniques bouclés ; notamment, l’oscillateur optoélectronique à base de laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL). Cet oscillateur, utilise un VCSEL modulé directement, ce qui présente de nombreux avantages, tels que la faible consommation de courant, le bas coût et la stabilité en température. Nous présentons ensuite l’architecture HFG. Dans cette configuration, une modulation de phase est transformée en modulation d’amplitude et l’utilisation d’un miroir de Faraday permet d’annuler l’effet sur la polarisation, produit par des perturbations externes à la fibre optique. De cette façon, la stabilité de la configuration est considérablement améliorée. Finalement, plusieurs réalisations pratiques avec différents types d’oscillateurs sont présentées. Des signaux à 900 MHz, 2.49 GHz et 12 GHz ont été générés avec des oscillateurs optoélectroniques bouclés. En sortie du système HFG, différentes harmoniques ont été obtenues à des fréquences situées dans une plage de 1,8 GHz à 48 GHz.

Pour réduire les nuisances sonores produites par un avion, les traitements acoustiques se doivent d'être réalisables par des matériaux caractérisés par des impédances complexes réglables. L'objet de cette thèse est l'étude et le contrôle d’un modèle de perturbations aéroacoustiques d'un écoulement porteur stationnaire et subsonique, le système régi par les équations d'Euler linéarisées (EEL). Le but est de contrôler les phénomènes de propagations aéroacoustiques, générés dans un domaine (a priori infini) et localisés sur un observatoire spatio-temporel, en utilisant comme variables de contrôle des paramètres locaux d'impédances complexes caractérisant la frontière d'un obstacle solide situé à l'intérieur du domaine. En utilisant dans le cadre de l'aéroacoustique la théorie des systèmes de Friedrichs, et en classifiant les conditions aux limites admissibles à adjoindre au système des EEL, nous montrons le caractère bien posé sur un domaine spatio-temporel borné, d’un problème direct régissant les phénomènes physiques mis en jeu, ainsi que d’un problème adjoint rétrograde, étape indispensable à la résolution de problèmes inverses. La méthode d'approximation choisie pour résoudre ces problèmes est une méthode de type Galerkine discontinue reposant sur un flux-splitting décentré en espace, combinée avec un schéma de type Runge-Kutta pour l'approximation temporelle. Comme toujours en propagations d'ondes, la simulation de l'espace libre est primordiale. Dans cette optique, une méthode PML adaptée aux EEL est proposée et numériquement validée. Enfin, une attention toute particulière est portée à la signification physique de ce travail. Un modèle d'homogénéisation de matériaux poreux est utilisé, permettant de relier les variables de contrôle à des paramètres physiques caractérisant la faisabilité expérimentale de matériaux absorbants. Les résultats numériques obtenus sur un modèle académique de prise d’air, illustrent la nécessité de la mise en place de cette méthodologie pour résoudre les problèmes inverses en aéroacoustique dans toutes leurs complexités.

La modélisation et la fabrication des ballons pressurisés stratosphériques longue durée à usage scientifique sont un défi pour le CNES. Cette modélisation nécessite une bonne connaissance des lois de comportement des matériaux constitutifs des enveloppes. L’étude se fait sur un polymère constitué de 3 couches complexées : PET 15 µm, PA 20 µm, PET 15 µm. Une campagne d’essais uniaxiaux nous permet d’identifier les paramètres des modèles de comportement du matériau. Un ensemble d’essais sur des sous ensembles de ballons soumis à des sollicitations complexes a été réalisé afin de déterminer, à l’aide d’un système de mesure par stéréocorrélation, les champs de déplacement et de déformation de ces structures. Ces essais sont alors simulés sur un code EF et comparés aux résultats expérimentaux afin de valider les lois de comportement pour des géométries et des sollicitations complexes.

Depuis la découverte des ceintures de radiation terrestres par James Van Allen, à la fin des années 50, l'intérêt d’explorer cette région qui entoure la Terre et de comprendre la physique impliquée n’a pas cesser de s’exprimer. Cet environnement étant très radioactif, il constitue un danger important pour les satellites en vol et les humains dans l’espace. Pour avancer dans cette direction, le Département d'Environnement Spatial à l'ONERA, centre de Toulouse, a entrepris dans les années 90 le développement d’un modèle physique de ceintures de radiation terrestres, le modèle Salammbô. Depuis sa conception, le modèle Salammbô n’a pas cessé d’évoluer, grâce à la réalisation de plusieurs thèses et de recherches continues. Dans le cadre de cette thèse, le but était d’étudier la dynamique qui caractérise la ceinture externe d’électrons. Très tôt dans l’histoire de la recherche sur les ceintures de radiation, le processus de diffusion radiale a été identifié comme le processus clé de la dynamique observée. A l’heure actuelle, l'accélération locale des électrons par les interactions résonantes avec des ondes de type « whistlers » constitue le candidat le plus probable pour expliquer l'augmentation importante des flux d’électrons de haute énergie, observée suite à un orage magnétique. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur l'étude de l'effet combiné de la diffusion radiale et de ces interactions ondes-électrons en dehors de la plasmasphère. Les résultats de cette étude montrent que les ondes chorus (ondes type « whistlers ») accélèrent fortement les électrons à des énergies relativistes en dehors de la plasmasphère. Quand le processus de diffusion radiale et l'accélération locale des électrons par les ondes sont pris en compte dans les simulations, les deux processus sont en compétition et le résultat final dépend de la puissance relative des deux.

Une qualité souvent prêtée aux réseaux de neurones artificiels est d'être tolérants aux fautes. Dans les ouvrages de présentation générale, cette propriété est presque toujours introduite comme étant "naturelle", c'est-à-dire obtenue sans précaution particulière pendant l'apprentissage. D'autre part, l'environnement spatial est connu pour être agressif pour le matériel embarqué, ce qui se manifeste par divers dysfonctionnements. En particulier, on constate, pour les circuits numériques, le phénomène d'upset, c'est-à-dire l'inversion intempestive d'une bascule mémoire. Partant de ces deux constatations, on peut se demander si des circuits neuronaux ne constitueraient pas une solution intéressante et robuste pour implanter certaines fonctions de bord des engins spatiaux. Dans un premier temps, les différents aspects du problème sont exposés en détail : les réseaux de neurones artificiels et leur tolérance aux fautes, les circuits neuronaux, l'environnement spatial et les défaillances résultantes. En conclusion de cette présentation, une technique particulière pour réaliser des circuits neuronaux est choisie pour sa simplicité, et surtout pour le peu de bascules mémoires qu'elle met en jeu : les trains aléatoires d'impulsions. Une méthode originale de reconnaissance d'étoiles dans un champ de vue est ensuite proposée pour la fonction de bord "calcul d'attitude". Cette méthode s'appuie sur un réseau à compétition de type winner-takes-all, et sur une carte auto-organisatrice de Kohonen. Une implémentation matérielle de ces deux modèles neuronaux est alors proposée à l'aide de trains aléatoires d'impulsions. Cette réalisation permet, d'une part de mettre en lumière les difficultés liées à cette technique particulière d'implantation, et d'autre part de faire une première évaluation quant à sa tolérance aux upsets en pratique.