Mission design and guidance strategy for small body explorations under stochastic uncertainty

Conception de mission et stratégie de guidage pour l'exploration de petits corps sous incertitude stochastique Ces dernières années, l'exploration de petits corps, tels que les astéroïdes et les comètes, au sein de notre système solaire a suscité une attention substantielle de la part des scientifiques et des ingénieurs. Plusieurs engins spatiaux ont visité avec succès ces corps célestes, effectuant des observations complètes et démontrant la faisabilité des missions de retour d'échantillons. L'environnement dynamique entourant les petits corps est très complexe et perturbé en raison du champ gravitationnel irrégulier du corps et d'autres forces perturbatrices externes. Par conséquent, il n'est pas possible de modéliser avec précision la dynamique, ce qui rend difficile la conception des trajectoires d'engins spatiaux autour de tels corps.L'objectif principal de cette recherche est d'étudier la faisabilité des missions vers les petits corps sous incertitudes. Cette thèse englobe trois sujets distincts : un problème de rendez-vous avec le petit corps (RDV), des problèmes d'atterrissage sur petit corps et la dynamique au sein d'un système d'astéroïdes triple. L'étude du problème de RDV examine les stratégies d'orientation à bord pour la phase RDV avec le petit corps. Trois stratégies d'orientation différentes sont développées : un guidage basé sur la convexification successive, un modèle de contrôle prédictif (MPC) et un contrôle optimal stochastique (SOC), et grâce à une analyse comparative de leurs performances de guidage sous incertitudes, une stratégie d'orientation embarquée appropriée est proposée.Cette thèse présente deux cas d'étude d'atterrissage : un guidage d'atterrissage robuste à six degrés de liberté (6-DoF) et un atterrissage à 3-DoF sur un astéroïde à rotation rapide. L'étude sur le guide d'atterrissage 6-DoF vise à développer un algorithme SOC 6-DoF pour répondre aux exigences de touché (TD) en présence d'incertitudes. Les perturbations externes non modélisées le long de la trajectoire nominale sont identifiées à partir de la dynamique couplée à l'attitude de translation, et la performance de guidage d'atterrissage avec l'algorithme SOC est évaluée. L'atterrissage sur un astéroïde à rotation rapide présente des défis supplémentaires en raison de son taux de rotation élevé. La thèse démontre initialement la faisabilité de la descente dans les conditions d'une forte force centrifuge. Ensuite, une analyse de mission nominale (en 3-DoF) est menée pour identifier un scénario de descente nominale qui répond aux exigences de TD. Enfin, l'analyse de la mission de descente est menée dans des incertitudes avec le SOC, et les résultats proposent l'erreur de navigation maximale qui peut être tolérée.Compte tenu de la présence de deux lunes, l'environnement dynamique autour d'un système triple d'astéroïdes présente un chaos important. Cette thèse présente une nouvelle formulation d'un ensemble d'équations de mouvement (EOM) pour le problème à 5 corps (5BP) pour modéliser le mouvement. En utilisant des approximations valides et la formulation de Jacobi, le nombre d'EOM est réduit de 15 à 9. Par la suite, les mouvements bornés dans cet environnement chaotique sont étudiés, et la sensibilité de ces mouvements aux configurations orbitales des deux petites lunes est examinée. Les résultats révèlent l'existence d'orbites quasi-fozen planes (QFO) qui présentent une stabilité à long terme dans certaines configurations des orbites des lunes, ainsi que des orbites quasi-terminator (QTO) qui démontrent également une stabilité proche.