Model-based Fault Diagnosis and Fault Accommodation for Space Missions : Application to the Rendezvous Phase of the MSR Mission

Abstract

Les travaux de recherche traités dans cette thèse s’appuient sur l’expertise des actionsmenées entre l’Agence spatiale européenne (ESA), l’industrie Thales Alenia Space (TAS) et le laboratoirede l’Intégration du Matériau au Système (IMS) qui développent de nouvelles générations d’unités intégréesde guidage, navigation et pilotage (GNC) avec une fonction de détection des défauts et de tolérance desdéfauts. La mission de référence retenue dans cette thèse est la mission de retour d’échantillons martiens(Mars Sample Return, MSR) de l’ESA. Ce travail se concentre sur la séquence terminale du rendez-vous dela mission MSR qui correspond aux dernières centaines de mètres jusqu’à la capture. Le véhicule chasseurest l’orbiteur MSR (chasseur), alors que la cible passive est un conteneur sphérique. L’objectif au niveaude contrôle est de réaliser la capture avec une précision inférieure à quelques centimètres. Les travaux derecherche traités dans cette thèse s’intéressent au développement des approches sur base de modèle de détectionet d’isolation des défauts (FDI) et de commande tolérante aux défaillances (FTC), qui pourraientaugmenter d’une manière significative l’autonomie opérationnelle et fonctionnelle du chasseur pendant lerendez-vous et, d’une manière plus générale, d’un vaisseau spatial impliqué dans des missions située dansl’espace lointain. Dès lors que la redondance existe dans les capteurs et que les roues de réaction ne sontpas utilisées durant la phase de rendez-vous, le travail présenté dans cette thèse est orienté seulementvers les systèmes de propulsion par tuyères. Les défaillances examinées ont été définies conformément auxexigences de l’ESA et de TAS et suivant leurs expériences. Les approches FDI/FTC présentées s’appuientsur la redondance de capteurs, la redirection de contrôle et sur les méthodes de réallocation de contrôle,ainsi que le FDI hiérarchique, y compris les approches à base de signaux au niveau de capteurs, les approchesà base de modèle de détection/localisation de défauts de propulseur et la surveillance de sécuritéde trajectoire. Utilisant un simulateur industriel de haute-fidélité, les indices de performance et de fiabilitéFDI, qui ont été soigneusement choisis accompagnés des campagnes de simulation de robustesse/sensibilitéMonte Carlo, démontrent la viabilité des approches proposées.