Les longueurs d’onde optiques sont une alternative aux liens radio-fréquences pour les transmissions satellite-sol du futur. Elles sont envisagées pour les futurs systèmes de télémesure satellitaires (liens optiques descendants en provenance de satellites LEO) ou de communication (liens optiques bi-directionnels avec des satellites GEO). A sa traversée de l’atmosphère l’onde optique peut être profondément affectée par la turbulence atmosphérique. Elle subit des variations spatiales et temporelles d’amplitude et de phase. Les variations d’amplitudes se traduisent par des variations de la puissance lumineuse collectée (scintillations). Les perturbations de la phase affectent la distribution spatiale de la puissance au foyer du système de détection, qui n’est alors plus limitée par la diffraction. Des pertes peuvent en découler lors du couplage du flux incident à un détecteur optronique ou à une fibre optique monomode. Ces pertes se traduisent par des atténuations du signal reçu et donc par la perte d’informations. Pour s’en abstraire, les études de faisabilité les plus récentes mettent en avant l’utilisation de systèmes d’optique adaptative et de techniques numériques adaptées (codage/entrelacement). Pour limiter la complexité et le coût des systèmes de liens optiques, la définition des techniques de compensation des atténuations peut être menée conjointement. C’est l’objectif principal de cette thèse. Il s’agit d’investiguer les complémentarités des techniques de compensation physiques (optique adaptative) et numériques (entrelacement, codes correcteurs) pour disposer des éléments permettant de définir les systèmes de correction les mieux adaptés.

L'imagerie laser 3D est une technique performante utilisée notamment pour cartographier l'environnement dans lequel évolue un aéronef, en mesurant la distance le séparant d'un objet, en plus des coordonnées (x,y). Le système est capable d'acquérir des mesures par tout temps (nuit, pluie, brouillard). Une nouvelle génération de capteurs, multi-pixels et ultra-sensibles, permet alors de répondre aux besoins identifiés pour cartographier avec précision une zone de grande superficie : haute résolution spatiale, longue portée avec précision centimétrique et rapidité d'acquisition. Il s'agit des plans focaux 3D Geiger. Avant leur utilisation en aéroporté, il était nécessaire de se familiariser avec leur fonctionnement, basé sur les probabilités de détection. Un simulateur reproduisant l'ensemble de la chaîne d'acquisition à été développé, puis validé sur des cas réels, au sol et en conditions statiques. Il a ensuite permis de démontrer l'intérêt des plans focaux Geiger pour la cartographie aéroportée à longue distance.

Dans cette thèse, nous proposons de construire de meilleurs modèles Processus Gaussiens (GPs) en intégrant les connaissances antérieures avec des données expérimentales. En raison du coût élevé de l’exécution d’expériences sur les systèmes physiques, les modèles numériques deviennent un moyen évident de concevoir des systèmes physiques. Traditionnellement, ces modèles ont été construits expérimentalement et itérativement ; une méthode plus rentable de construction de modèles consiste à utiliser des algorithmes d’apprentissage automatique. Nous démontrons comment créer des modèles en intégrant une connaissance antérieure en modifiant les fonctions de covariance. Nous proposons des modèles GP pour différents phénomènes physiques en mécanique des fluides. De même, les lois physiques entre plusieurs sorties peuvent être appliquées en manipulant les fonctions de covariance. Pour chaque application, nous comparons le modèle proposé avec le modèle de l’état de l’art et démontrons les gains de coût ou de performance obtenus.

Dans le cadre des systèmes de positionnement par satellite GNSS (« Global Navigation Satellite Systems »), l’intégrité de la navigation d’un utilisateur est gérée en réception par la détection, l’identification voire l’exclusion de mesures de pseudo-distance jugées erronées. Généralement basés sur le concept a posteriori RAIM (« Receiver Autonomous Integrity Monitoring »), les algorithmes de contrôle autonome d’intégrité fournissent de hautes performances pour l’aviation civile, dont le contexte de navigation est caractérisé par une forte visibilité des satellites et peu de signaux parasites captés par l’antenne réceptrice. L’algorithme WLSR RAIM est communément utilisé dans ce cadre. Néanmoins, les techniques RAIM ne sont pas compatibles avec la navigation terrestre en milieu contraint. En effet, le contexte urbain est notamment caractérisé par un masquage récurrent des signaux satellitaires directs ainsi que la réception de multi-trajets générés par l’environnement proche du récepteur. RAIM ne prend pas en compte l’ensemble des données disponibles en réception, dégradant ainsi fortement ses performances. Il est donc nécessaire de développer des méthodes de contrôle d’intégrité compatibles avec un tel contexte de navigation. Pour cela, la thèse propose d’étudier l’apport d’informations GNSS a priori non utilisées par les techniques RAIM. Deux paramètres principaux ont été exploités : le signal GNSS brut reçu et les estimations de directions d’arrivée des signaux satellitaires DOA (« Direction Of Arrival »). La première étape a consisté à implémenter une méthode a priori qui évalue la cohérence du positionnement estimé par rapport au signal brut directement reçu. Cette méthode a été nommée Direct-RAIM (D-RAIM) et a démontré une forte sensibilité de détection, permettant d’anticiper d’éventuels risques sur la navigation et de caractériser plus finement la qualité de l’environnement proche du récepteur. Toutefois, le caractère a priori de l’approche engendre de potentielles non détection d’erreurs en cas de modèle de signal défectueux. Afin de contourner cette limitation, un couplage WLSR RAIM – D-RAIM a été développé, nommé Hybrid-RAIM (H-RAIM). Une telle approche permet de combiner robustesse et sensibilité apportées par ces techniques respectives. Le second axe de recherche a mis en évidence la contribution de l’information des DOA dans un contrôle autonome d’intégrité. L’intégration d’un réseau d’antennes en réception permet d’obtenir l’estimation des DOA pour l’ensemble de la constellation visible. Théoriquement, l’évolution jointe des DOA est directement liée à l’attitude du réseau. Cet aspect permet donc de détecter toute incohérence sur une ou plusieurs voies en cas d’estimation(s) de DOA biaisée(s), par rapport à l’ensemble de la constellation. L’algorithme RANSAC (« RANdom SAmple Consensus») a été utilisé afin de détecter tout comportement aberrant dans l’estimation des DOA, et ainsi mesurer la confiance que l’utilisateur peut placer dans chaque voie. L’algorithme WLSR RAIM RANSAC a ainsi été implémenté. L’intégration de la composante DOA permet d’ajouter un degré de liberté dans le contrôle autonome d’intégrité côté récepteur et ainsi d’affiner la détection voire l’exclusion d’erreurs. Au cours de cette thèse, un récepteur logiciel a été implémenté, permettant de traiter des signaux Galileo, de la génération du signal jusqu’au positionnement puis au contrôle d’intégrité. Ce récepteur a pu être évalué à partir de données simulées en environnement urbain.

Un concept innovant d'aéronef convertible a été imaginé pour des applications de drone tactique. La sustentation en mode hélicoptère est assurée par un rotor situé dans le nez de l'appareil et entraîné en rotation par des hélices montées sur ses pales. Le rotor s'arrête en vol pour faire office de plan canard et ses hélices propulsent l'appareil en mode avion. Une aile fixe est ajoutée dans la queue de l'appareil, dans le flux du rotor, pour soulager la charge de ce dernier quand il est arrêté. Ainsi, le design des hélices n'est plus surdimensionné pour sustenter l'appareil en mode hélicoptère, la dimension du rotor n'est plus limitée par le fonctionnement en mode avion et la majorité des systèmes est utilisée dans les deux modes, ce qui réduit la puissance nécessaire, le poids et la trainée aérodynamique. La faisabilité de ce concept a été démontrée au cours de ces travaux de thèse. Cette dernière comprend l'analyse du comportement du système rotor, l'étude des interactions entre les appendices aérodynamiques en vol stationnaire et le contrôle au cours de la transition entre vol stationnaire et vol horizontal. Les gains en performance de ce concept par rapport aux drones tactiques existants, en termes d'autonomie et de masse de charge utile embarquée, ont été évalués dans le cadre d'une étude de conception amont. Par ailleurs, le principe de rotor propulsé par hélice a été repris et exploité dans un nouveau concept breveté qui pallie les défauts inhérents aux drones multirotors. Ces derniers se révèlent, en effet, intrinsèquement peu fiables en raison de la complémentarité de leurs différents systèmes propulsifs.

L’hydrogène liquide est un ergol utilisé en complément de l’oxygène liquide pour la propulsion de nombreux lanceurs en particulier ceux de la famille Ariane. Cependant, sa dangerosité interdit la réalisation d’essais, en particulier vibratoires, sur des réservoirs remplis. Cette thèse explore une piste d’étude permettant de réaliser ces essais vibratoires sur le réservoir rempli d’un matériau de substitution : un ensemble de billes pré-contraintes. L’objectif est d’obtenir un comportement modal similaire en termes de modes et de fréquences propres à celui du réservoir rempli d’hydrogène liquide pour l’étude des premiers modes. Pour répondre à cet objectif, cette étude est développée en deux parties. Dans la première partie, une approche analytique basée sur une méthode par équivalences fréquentielles est détaillée. Après avoir présenté les grandes lignes de la méthodologie utilisée et l’ensemble des modèles développés, la méthodologie est appliquée au cas étudié expérimentalement de manière à mettre en évidence l’influence des différents paramètres et de proposer une première méthode pour choisir un jeu de billes adapté. La seconde partie, traite principalement des aspects expérimentaux et numériques. Après avoir détaillé la caractérisation des billes utilisées, le montage expérimental conçu et réalisé pour effectuer des essais vibratoires sur un réservoir rempli de billes pré-contraintes est présenté. Les différents résultats obtenus avec ce montage sont étudiés au regard de l’approche analytique, mais aussi de modèles numériques utilisant des éléments-discrets et des éléments-finis.

L’exploration lunaire représente une part importante de l'activité des agences spatiales nationales. Les scientifiques se sont intéressés aux interactions de la surface lunaire avec le plasma environnant et les appareils envoyés sur place. Les observations ont mis en évidence la présence de régolithe, formant une épaisse couche de poussières à la surface, et il a été constaté que ces particules sont très abrasives et tranchantes. Elles représentent un risque matériel important pour les équipements envoyés sur la Lune et la nécessité de comprendre les origines de leur transport est incontournable pour le bon déroulement des futures missions. Le mouvement de ces poussières peut, entre autres, être issu de phénomènes électrostatiques, particulièrement présents aux frontières ombre/lumière. Les observations d'un nuage de poussières au-dessus de la surface lunaire en sont la preuve. Cependant, les mécanismes à l'origine de ce nuage sont peu connus. Il est donc nécessaire de comprendre les interactions entre les poussières et l'environnement lunaire afin de prévenir la pollution d'appareils se trouvant à la surface. L'objectif de la thèse est de comprendre et de modéliser la charge et le transport électrostatique des poussières aux interfaces ombre/lumière. Le dispositif DROP a été développé afin d'observer le transport électrostatique de poussières et permettre une compréhension physique de cette dynamique. Les tests effectués ont permis de dégager les paramètres les plus importants dans la dynamique des poussières. Ils ont également rendu possible l'adaptation d'un modèle numérique préexistant qui a été contraint afin de le rendre plus représentatif de la situation lunaire.

Cette thèse est motivée par un problème aéronautique: le ballottement du carburant dans des réservoirs d’ailes d’avion très flexibles. Les vibrations induites par le couplage du fluide avec la structure peuvent conduire à des problèmes tels que l’inconfort des passagers, une manoeuvrabilité réduite, voire même provoquer un comportement instable. Cette thèse a pour objectif de développer de nouveaux modèles d’interaction fluide-structure, en mettant en oeuvre la théorie des systèmes Hamiltoniens à ports d’interaction (pHs). Le formalisme pHs fournit d’une part un cadre unifié pour la description des systèmes multi-physiques complexes et d’autre part une approche modulaire pour l’interconnexion des sous-systèmes grâce aux ports d’interaction. Cette thèse s’intéresse aussi à la conception de contrôleurs à partir des modèles pHs. Des modèles pHs sont proposés pour les équations de ballottement du liquide en partant des équations de Saint Venant en 1D et 2D. L’originalité du travail est de donner des modèles pHs pour le ballottement dans des réservoirs en mouvement. Les ports d’interaction sont utilisés pour coupler la dynamique du ballottement à la dynamique d’une poutre contrôlée par des actionneurs piézo-électriques, celle-ci étant préalablement modélisée sous forme pHs. Après l’écriture des équations aux dérivées partielles dans le formalisme pHs, une approximation en dimension finie est obtenue en utilisant une méthode pseudo-spectrale géométrique qui conserve la structure pHs du modèle continu au niveau discret. La thèse propose plusieurs extensions de la méthode pseudo-spectrale géométrique, permettant la discrétisation des systèmes avec des opérateurs différentiels du second ordre d’une part et avec un opérateur d’entrée non borné d’autre part. Des essais expérimentaux ont été effectués sur une structure constituée d’une poutre liée à un réservoir afin d’assurer la validité du modèle pHs du ballottement du liquide couplé à la poutre flexible, et de valider la méthode pseudo-spectrale de semi-discrétisation. Le modèle pHs a finalement été utilisé pour concevoir un contrôleur basé sur la passivité pour réduire les vibrations du système couplé.

Dans la plupart des problèmes de synthèse, la loi de commande obtenue doit répondre simultanément à des critères réquentiels et temporels en vue de satisfaire un cahier des charges précis. Les derniers développements des techniques de synthèse Hinf de contrôleurs structurés permettent d'obtenir des lois de commande satisfaisant des critères fréquentiels multiples. En revanche, la synthèse de loi de commande satisfaisant une contrainte temporelle sur une sortie ou un état du système est plus complexe. Dans ce travail de thèse, la technique OIST est considérée pour ce type de contraintes. Elle consiste à saturer la sortie du contrôleur dès que la contrainte n'est plus vérifiée afin de restreindre l'ensemble des sorties admissibles. Initialement formulée pour les systèmes linéaires connus dont l'état est mesuré, la technique OIST peut être généralisée pour permettre de considérer des systèmes incertains. C'est l'extension OISTeR qui est proposée dans ce travail. Elle utilise les données d'un observateur par intervalles pour borner de manière garantie le vecteur d'état. La théorie des observateurs par intervalles a récemment fait l'objet de nombreux travaux. La méthode la plus rapide pour obtenir un observateur par intervalles d'un système donné est de considérer un système intermédiaire coopératif dans de nouvelles coordonnées. Une nouvelle technique de détermination de ces nouvelles coordonnées, intitulée SCorplO, est proposée dans ce mémoire. L'ensemble des techniques présentées est appliqué au contrôle d'un lanceur flexible durant son vol atmosphérique, en présence de rafales de vent et sous contrainte temporelle sur l'angle d'incidence.

Les oscillateurs sont présents dans tous les systèmes de communications que nous utilisons. Ils nous permettent de faire la synchronisation entre l’émetteur et le récepteur d’un message. La qualité de cette synchronisation dépend de la stabilité de l’oscillateur. Afin de caractériser cette stabilité dans le domaine fréquentiel, le bruit de phase est utilisé comme paramètre de référence. Un oscillateur qui délivre un signal avec une faible valeur de bruit de phase est un oscillateur de grande pureté spectrale. Les oscillateurs électroniques ont une bonne performance à basse fréquence. En mesure de la demande des systèmes de très haut débit, les oscillateurs électroniques ne sont pas capables de produire signaux qu’avec l’utilisation de multiplicateurs de fréquence qui ajoutent plusieurs éléments à la chaine de communication. Les systèmes hybrides permettent de prendre d’avantage la bonne performance de composants optiques en haute fréquence afin de les intégrer dans les systèmes électroniques et surmonter de cette façon-là les limitations fréquentielles des systèmes électroniques. Ce travail vise l’utilisation de la technique de verrouillage optique par injection du faisceau d’un laser maître vers la cavité d’un VCSEL sous modulation directe dans la boucle d’oscillation. La technique du verrouillage optique du VCSEL permets d’élargir la bande passante de modulation directe du VCSEL et réduire son bruit d’intensité (Relative Intensity Noise - RIN). La réduction du RIN a comme effet secondaire la réduction de la contribution du bruit additif dans l’oscillateur et, en conséquence, la réduction du bruit de phase de l’oscillateur.