Pour certifier un système aéronautique, des études de Sûreté de Fonctionnement (SdF) visent à démontrer qu’il répond à des exigences de sécurité de haut niveau. La complexité des systèmes étudiés ayant évolué, les exigences à démontrer devenant toujours plus nombreuses, les analyses actuelles (e.g. arbre de défaillance) peuvent aujourd’hui présenter des limites d’utilisation. Pour aller à l’encontre de ces limites, l’Ingénierie Dirigée par les Modèles s’est développée et s’intéresse aux études de SdF. L’objectif est alors de 1) modéliser dans un langage adapté (le langage AltaRica a ici été utilisé) les comportements fonctionnels et dysfonctionnels d’un système et de ses composants en présence de défaillances, 2) s’assurer que le modèle est une abstraction valide du système réel et 3) vérifier la tenue des exigences du système par le modèle. Les travaux effectués dans cette thèse se sont intéressés aux deux premiers points. Une méthodologie a été proposée pour spécifier l’abstraction du comportement de composants de systèmes multi physiques. Des bibliothèques AltaRica ont été réalisées pour modéliser des sous-systèmes d’un turbomoteur d’hélicoptère. Les résultats obtenus via le modèle ont été comparés avec ceux des analyses existantes de SdF. Pour les projets futurs où celles-ci ne seraient plus disponibles, un processus de validation a été proposé pour caractériser le degré de revue atteint lors de la simulation d'un jeu de tests sur le modèle. Inspiré du « génie logiciel », ce processus s’étend sur trois niveaux de validation (unitaire ; intégration des composants ; modèle complet) et propose des critères de couvertures applicables et mesurables sur un modèle AltaRica.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le domaine de l’optimisation de structures aéronautiques composites. On cherche à rendre possible le traitement de problèmes de dimensionnement de telles structures, telles que celles rencontrées dans l’industrie aéronautique. Ce type de problèmes présente deux aspects bloquants. En premier lieu, la taille des structures et le type de matériaux rendent le problème d’optimisation à la fois de très grande taille et de variables mixtes (continues, discrètes). D’autre part, le très grand nombre d’analyses de stabilité locale (flambage) nécessaires rend le problème d’optimisation très difficile à traiter en terme de coût de calculs. On cherche donc à résoudre le premier aspect au travers de schémas d’optimisation dits de décomposition qui permettent de décomposer le problème d’optimisation initial en une multitude de sous problèmes d’optimisations pouvant être résolus en parallèle et dont le couplage est résolu par un problème d’optimisation sur un ensemble de variables réduit. L’équivalence théorique entre les différents problèmes d’optimisation (en termes de minima locaux) est prouvée et on présente et développe un schéma adapté à la fois aux spécificités des composites et aux contraintes industrielles. Le second point est résolu de manière originale par le développement d’une stratégie d’approximation des contraintes de stabilité. Cette stratégie de mélanges d’experts se base sur des outils statistiques avancés et se révèle adaptée au comportement des composites. Les deux principales avancées de ce travail sont validées sur des cas test académiques et sur une structure aéronautique réaliste. Le fil directeur de ce travail est la mécanique des structures composites, néanmoins le caractère pluridisciplinaire du sujet nous a conduit à des incursions vers les domaines des statistiques (apprentissage), de l’analyse numérique (étude de l’équation aux dérivées partielles relative au flambage) et enfin de l’optimisation théorique.

Dans le domaine des réseaux satellitaires, l'apparition de terminaux interactifs à bas-prix nécessite le développement et la mise en œuvre de protocoles d'accès multiple capables de supporter différents profils d'utilisateurs. En particulier, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et le centre d'étude spatial allemand (DLR) ont récemment proposé des protocoles d'accès aléatoires basés sur le codage réseau couche physique et l'élimination itérative des interférences pour résoudre en partie le problème de collisions sur une voie de retour du type Slotted ALOHA. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse qui vise à fournir une amélioration dans des méthodes d'accès aléatoires existantes. Nous introduisons Multi-Slot Coded Aloha (MuSCA) comme une nouvelle généralisation of CRDSA. Au lieu de transmettre des copies du même paquet, l'émetteur envoie plusieurs parties d'un mot de code d'un code correcteur d'erreurs ; chaque partie étant précédée d'un entête permettant de localiser les autres parties du mot de code. Au niveau du récepteur, toutes les parties envoyées par le même utilisateur, y compris celles qui sont interférées par d'autres signaux, participent au décodage. Le signal décodé est ensuite soustrait du signal total. Ainsi, l'interférence globale est réduite et les signaux restant ont plus de chances d'être décodés. Plusieurs méthodes d'analyse de performance basées sur des concepts théoriques (calcul de capacité, évolution des densités) et sur des simulations sont proposées. Les résultats obtenus montrent un gain très significatif de débit global comparé aux méthodes d'accès existantes. Ce gain peut encore être augmenté en variant le taux de découpe des mots de code. En modifiant certains de ces concepts, nous proposons également une application du codage réseau couche physique basée sur la superposition de modulations pour l'accès déterministe à la voie retour des communications par satellite. Une amélioration du débit est aussi obtenue par rapport à des stratégies plus classiques de multiplexage temporal.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le projet plus global PRISE (Plate-forme de Recherche pour l'Ingénierie des Systèmes Embarqués) dont l'objectif principal est le développement d'une plateforme d'exécution pour les logiciels embarqués. De tels logiciels sont dits critiques et ils sont, par conséquent, soumis à des règles de conception spécifiques. Notamment, ces logiciels doivent répondre à des contraintes de temps réel et ainsi garantir des comportements temporels prédictifs afin de toujours donner des résultats justes avec le respect d'échéances temporelles. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'utilisation des techniques de la simulation distribuée (et particulièrement de la norme HLA) pour répondre aux besoins de simulation hybride et temps réel de la plate-forme. Afin de respecter ces contraintes et garantir la prédictibilité temporelle d'une simulation distribuée, il faut avoir une vision complète de l'ensemble du problème et notamment des différents niveaux d'actions : applicatif, intergiciel, logiciel, matériel et aussi formel pour la validation du comportement temporel. Cette thèse se base sur la RTI (Run Time Infrastructure, intergiciel HLA) de l'ONERA : le CERTI et propose une démarche méthodologique adaptée à ces différents niveaux d'actions. Des cas d'étude, notamment un simulateur du vol d'un avion, ont été spécifiés, implémentés et expérimentés sur la plate-forme PRISE.

L'optimisation multi-disciplinaire propose des solutions aux problèmes de conception de systèmes complexes. Le terme « optimisation multi-disciplinaire » laisse sous-entendre à tort qu'il ne s'agit que d'un problème d'optimisation. Nous lui préférons ici le terme de « conception collaborative ». En effet, l'optimisation ne représente qu'un aspect, qui ne peut être séparée du reste du problème de conception. Le but n'est pas de créer un processus automatique, mais de faciliter les échanges entre les équipes des différentes disciplines. De nombreuses méthodes, appelées communément formulations MDO (de Multi-Disciplinary Optimization), apparaissent dans la littérature (MDF, IDF, AAO, BLISS, CO). Elles proposent des stratégies permettant, d'une part, d'assurer la cohérence de la description du système complexe et, d'autre part, d'effectuer la recherche de la configuration optimale. Dans un premier temps, nous dressons un état de l'art des formulations MDO. Nous mettons en avant leurs points communs et leurs différences, afin de proposer une implémentation de la manière la plus générale qui soit. Nous proposons, avec la méthode DIVE (Discipline Interaction Variable Elimination), un cadre d'utilisation de méta-modèles au sein des formulations MDO. Le méta-modèle peut se limiter à une approximation linéaire ou quadratique. Il peut s'appuyer sur des méthodes classiques d'apprentissage, telles que les réseaux neuronaux, le Krigeage ou la SVM. Chaque méta-modèle est accompagné d'une région de confiance qui en détermine la validité. Cette approche par approximations locales et successives permet d'aborder les problèmes de grande dimension. Nous présentons des résultats obtenus avec deux cas-tests d'avions d'affaires supersoniques obtenus sous deux environnements différents (Scilab et ModelCenter).

Les architectures de communication avionique actuelles impliquent un poids et des coûts d'intégration importants à cause de la quantité croissante du câblage et des connecteurs utilisés. Afin de répondre à ces besoins émergents, nous avons proposé dans cette thèse l'intégration des technologies sans fil dans le contexte avionique comme principale solution pour diminuer le poids et la complexité dus au câblage. Tout d’abord, nous avons conçu un réseau avionique de secours basé sur la technologie HRUWB, implémentant un protocole d'arbitrage TDMA et des divers mécanismes de fiabilité pour garantir les exigences de déterminisme et de sûreté. Par la suite, nous avons procédé à l'évaluation des performances de notre proposition en termes de délais en se basant sur des méthodes analytiques. Par ailleurs, nous avons étudié différentes solutions afin d’améliorer les marges d'évolutivité et de fiabilité du système. Enfin, nous avons validé notre réseau proposé à travers une étude de cas avionique réaliste; et les résultats obtenus ont mis en évidence la capacité de notre proposition à garantir les exigences du système en termes de déterminisme et de fiabilité.

Ce mémoire présente les avantages de combiner des techniques établies dans le domaine de l'ingénierie de contrôle avec des éléments de l'intelligence calculatoire, en fournissant un certain niveau d'automatisation et la possibilité d'explorer des propositions innovantes pour une meilleure conformité avec les spécifications. L'adoption de cette philosophie est justifiée par la complexité de certains systèmes, où des multiples exigences contradictoires doivent être remplies à chaque point de fonctionnement. L'automaticien se rendra compte parfois que certains choix doivent être faits au détriment d'autres solutions qui pourraient également être explorées. Dans ce contexte, un mécanisme basé sur l'intelligence calculatoire peut accélérer le développement du projet et révéler de nouvelles possibilités. L'apport de ce mécanisme est évalué sur deux études de cas, toutes deux basées sur un modèle variant dans le temps d'un véhicule de lancement, où le séquencement de gain est appliqué aux techniques quadratique linéaire et H-infinie. Dans le cas linéaire quadratique, à part le lissage des gains du régulateur, on obtient l'optimisation du système de contrôle pour toute la trajectoire du véhicule, un fait qui est validé par des simulations hardware-in-the-loop. Dans le cas H- infini, on ajoute la duplication fonctionnelle du compensateur, permettant de l'utiliser également en tant qu'observateur; l'intelligence calculatoire peut être utilisée pour définir la choix de la dynamique d'estimation dans des situations où le nombre des combinaisons (pôles en boucle fermée) est très élevé, afin de fournir les meilleures estimés.

Les communications par satellites sont l’aboutissement de recherches menées dans les domaines de télécommunications et des technologies spatiales depuis plus de 50 ans. Les premiers satellites souffraient d’un coût exorbitant pour des performances très limitées. Les avancées technologiques apparues dans ces domaines ont permis de rendre ce rapport satisfaisant et commercialement viable ce qui a permis de multiplier leurs lancements et ainsi de mettre en place de véritables réseaux de satellites. À ce jour, il existe de nombreuses constellations de satellites géostationnaires et d’orbites basses utilisées à des fins civiles ou militaires. De manière générale, le routage au sein de ces constellations s’effectue suivant un pré-calcul des routes existantes qui est alors utilisé sur une période donnée et rafraîchi si besoin. Ce type de routage n’étant optimal que sur des topologies déterministes, nous sommes donc amenés à considérer d’autres solutions si l’on relaxe cette hypothèse. L’objectif de cette thèse est d’explorer les alternatives possibles au routage pré-calculé. En tant que piste potentielle, nous proposons de vérifier l’adéquation des protocoles de routage à réplication issus du monde des réseaux tolérants au délai, DTN, aux constellations de satellites. Afin de nous offrir un cadre d’étude pertinent à la vue de cet objectif, nous nous focalisons sur une constellation particulière à caractère quasi-déterministe n’offrant pas une connectivité directe entre tous les nœuds du système. Dans une deuxième partie nous nous intéressons à la modélisation du protocole de routage Binary Spray and Wait. Nous développons un modèle capable de déterminer théoriquement la distribution du délai d’acheminement pour tout type de réseau, homogène et hétérogène.

SpaceWire est un standard de réseau embarqué promu par l'Agence Spatiale Européenne qui envisage de l'utiliser comme réseau bord unique dans ses futures satellites. SpaceWire utilise un mécanisme de routage Wormhole pour réduire la consommation mémoire des routeurs et les coûts associés. Cependant, le routage Wormhole peut engendrer des blocages en cascade dans les routeurs et, par conséquent, d'importantes variations des délais de livraison des paquets.Comme le réseau doit être partagé par des flux critiques et non-critiques, les concepteurs réseau ont besoin d'un outil leur permettant de vérifier le respect des contraintes temporelles des messages critiques. Pour réaliser cet outil, nous avons choisi comme métrique une borne supérieure sur le délai pire-cas de bout en bout d'un paquet traversant un réseau SpaceWire. Au cours de la thèse, nous avons proposé trois méthodes permettant de calculer cette borne. Les trois méthodes utilisent des hypothèses différentes et ont chacune des avantages et des inconvénients. D'une part, les deux premières méthodes sont très générales et ne nécessitent pas d'hypothèses restrictives sur le trafic en entrée du réseau. D'autre part, la troisième méthode nécessite des hypothèses plus précises sur le trafic en entrée. Elle est donc moins générale mais donne la plupart du temps des bornes plus serrées que les deux autres méthodes. Dans cette thèse, nous avons appliqué ces différentes méthodes à une architecture de référence fournie par Thales Alenia Space afin d'en comparer les résultats. Nous avons également appliqué ces méthodes à des exemples plus simples afin de déterminer l'influence de différents paramètres sur les bornes fournies par nos méthodes.

Cette thèse se situe dans la continuité de la collaboration entre le CNES et l’ONERA DCSD sur le pilotage des lanceurs et concerne plus particulièrement le développement de méthodologies propres au pilotage des lanceurs réutilisables (RLV), en particulier dans leur phase de rentrée atmosphérique. Une première étape concerne la modélisation du lanceur adaptée au pilotage en phase de rentrée. Cette étape doit s'appuyer sur l'analyse des besoins, spécificités et objectifs de la commande en phase de rentrée d'un RLV et déboucher sur un modèle générique de complexité compatible avec le développement de lois de pilotage. Cette étape de modélisation répond aux questions telles que l'importance et la localisation des non-linéarités, des incertitudes sur les paramètres lanceur et atmosphériques, du domaine de variation des paramètres au cours du vol et de l'importance des couplages entre les 3 axes. La seconde partie de la thèse, qui constitue la contribution principale de ces travaux, porte sur le développement de méthodologies adaptées au pilotage de cette phase du vol du lanceur. Cette méthodologie s'appuie notamment sur des problèmes de synthèse Hinfini par sensibilité en accélération (Hinfini-SOTAS). Ces formes standard SOTAS sont des solutions du problème inverse Hinfini associé à un système du second ordre généralisé et à un contrôleur par placement de structures propres découplant. Diverses extensions de ces formes standards sont proposées afin de permettre la prise en compte de critères additionnels pendant la synthèse. La méthodologie proposée et ses propriétés sont illustrées par des exemples académiques et de la dynamique latérale d'un avion de transport. Elle est finalement validée par l'application à un véhicule de rentrée atmosphérique réalisée au cours de la thèse.