Chapter 10: "Control"

Modern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications provides a comprehensive foundation of theory and applications of spacecraft GNC, from fundamentals to advanced concepts, including modern AI-based architectures with focus on hardware and software practical applications. Divided into four parts, this book begins with an introduction to spacecraft GNC, before discussing the basic tools for GNC applications. These include an overview of the main reference systems and planetary models, a description of the space environment, an introduction to orbital and attitude dynamics, and a survey on spacecraft sensors and actuators, with details of their modeling principles. Part 2 covers guidance, navigation, and control, including both on-board and ground-based methods. It also discusses classical and novel control techniques, failure detection isolation and recovery (FDIR) methodologies, GNC verification, validation, and on-board implementation. The final part 3 discusses AI and modern applications featuring different applicative scenarios, with particular attention on artificial intelligence and the possible benefits when applied to spacecraft GNC. In this part, GNC for small satellites and CubeSats is also discussed. Modern Spacecraft Guidance, Navigation, and Control: From System Modeling to AI and Innovative Applications is a valuable resource for aerospace engineers, GNC/AOCS engineers, avionic developers, and AIV/AIT technicians

Contribution à l'étude de la réactivité des précurseurs de l'indigo et à l'optimisation de la production de pigment à partir des feuilles d'Isatis tinctoria L.

La culture d’Isatis tinctoria fut très importante en Europe, au Moyen-Âge, pour sa production de pigment indigo, très prisé par les teinturiers. En Occitanie, l’intérêt pour les molécules d’origine naturelle et le caractère emblématique du pastel a permis de faire perdurer sa culture localement. Toutefois, le rendement de cette production demeure instable et la qualité du pigment mal maitrisée. C’est dans ce contexte qu’un projet de recherche visant à améliorer la quantité et la qualité du pigment bleu contenant l’indigo à partir des feuilles de Pastel a été mis en place. Au cours de ce projet, nous nous sommes intéressés aux principaux précurseurs de l’indigo dans le Pastel, l’isatan A et l’isatan B. Ces composés très instables ont été identifiés par UHPLC-HRMS afin d’établir un suivi régulier de leur teneur dans la plante au cours de l’année. Ces analyses ont montré la présence de précurseurs dans les feuilles tout au long de l’année et leur relative stabilité dans les feuilles jusqu’à trois jours après leur récolte. Leur réactivité dans les conditions de production a également été étudiée avec pour l’objectif de mieux comprendre leur conversation en indigo. En parallèle, plus d’une quarantaine de pigments ont été produits à partir de feuilles de Pastel. Les paramètres de production du pigment ont été optimisés afin d’améliorer le rendement en pigment et sa teneur en indigo, ce qui a conduit à un essai de production à l’échelle industrielle. Également, une méthode de dosage de l’indigo a été développée et appliquée à l’ensemble des pigments produits, afin d’évaluer plus précisément leur teneur en indigo. Ces travaux ont permis une meilleure compréhension de la réactivité des précurseurs, ainsi qu’une optimisation de leurs conditions d’extraction pour la production de l’indigo. S’il est possible de produire du pigment toute l’année à partir de feuilles fraiches, en revanche, la production demeure inconstante et peu reproductible, et ne semble donc pas uniquement conditionnée à la teneur en précurseurs et aux conditions d’extraction. Des mécanismes enzymatiques impliquant des enzymes foliaires végétales ou microbiennes, difficiles à maitriser, sont très probablement impliqués dans le processus de conversion des précurseurs en indigo

Simulation aux grandes échelles de l'allumage des moteurs d'avion dans des conditions d'exploitation pertinentes et application à la technologie de la combustion giratoire

SAFRAN Helicopter Engines has recently developed the spinning combustion technology in which the burnt gases from one injector travel tangentially along the combustor annulus towards the neighboring injectors. Compared to a conventional design, this arrangement modifies the ignition process, which is a critical phase for aeroengines. In addition to that, few ignition studies in literature feature actual aeronautical igniters. This thesis aims to numerically reproduce the kernel formation and flame propagation at conditions occurring in spinning combustion engines fitted with aeronautical igniters at relevant operating conditions. For this objective, the in-house code AVBP has been used together with models for the energy addition from the igniter, semi-detailed chemistry and a recent version of the thickened flame model using a generic sensor and a static and dynamic formulation for the subgrid chemistry-turbulence closure term. The results have been compared to experiments from partner laboratories and show that the Large-Eddy Simulation calculations are able to reproduce the kernel formation and propagation in spinning combustion technology engines. An average error of 10% in the time for complete chamber ignition was obtained when using a dynamic formulation of the subgrid chemistry-turbulence closure term. As a conclusion, this thesis gives further support to the use of LES as a tool for the design of combustion chamber systems in aircraft engines, in particular in novel configurations such as the spinning combustion technology

Comprendre le lien entre l'activité des micro-organismes présents dans le rumen, le métabolisme de l'hôte et l'efficience alimentaire des agneaux

En élevage de ruminants allaitants, l’alimentation représente la très grande majorité des coûts d’élevage. De ce fait, l’efficience alimentaire, caractérisée par l’aptitude d’un animal à optimiser sa production par rapport à sa consommation alimentaire, s’est imposée comme un moyen de limiter les coûts d’élevage mais aussi les rejets polluants par une meilleure valorisation de la ration. Cependant, les déterminants de l’efficience alimentaire sont encore méconnus bien que des pistes aient été avancées, notamment concernant l’efficience digestive ou la partition des nutriments et de l’énergie entre différents tissus corporels et entre besoins d’entretien et besoins de production. Par ailleurs, tout porte à penser que ces déterminants sont variables selon les conditions d’élevage et en particulier selon la ration distribuée aux animaux. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était d’explorer les mécanismes sous-jacents à l’efficience alimentaire, en particulier en lien avec la communauté microbienne ruminale et les produits issus de son activité. L’étude a été réalisée sur des agneaux mâles de race Romane issus de lignées divergentes obtenues par sélection génétique des animaux les plus efficients et les moins efficients sur la base de la consommation moyenne résiduelle. Au total, 277 agneaux, répartis sur trois années et issus des deuxième et troisième générations de sélection ont été phénotypés pendant 6 semaines sous un régime 100% concentrés (CONC) et parmi eux, 167 agneaux, extrêmes en termes d’efficience, ont par la suite été phénotypés sous un régime mixte (MIX). À l’issue de chaque phase, un échantillon de contenu ruminal et un échantillon de sang ont été collectés. La composition microbienne du rumen a été étudiée par séquençage des gènes codants pour l’ARNr 16S et l’ARNr 18S, respectivement pour les procaryotes et les eucaryotes et des analyses par chromatographie en phase gazeuse des échantillons ruminaux et par RMN des échantillons ruminaux et sanguins ont permis de doser les métabolites présents dans le rumen ou dans le plasma des agneaux. La première conclusion des travaux de cette thèse est, conformément à la littérature existante chez le bovin allaitant, une absence de corrélation entre l’efficience alimentaire phénotypique aux régimes CONC et MIX. Globalement aucune association n’a été démontrée entre les compositions microbiennes ou les métabolites ruminaux et l’efficience alimentaire quel que soit le régime. En particulier, aucune différence de profil en acides gras volatils n’a été observée entre lignées ou entre animaux phénotypiquement efficients ou inefficients. Par ailleurs, les genres procaryotes ou eucaryotes associés avec l’efficience alimentaire phénotypique différent entre les deux régimes et les associations entre genres microbiens et efficience alimentaire ne sont pas identiques entre les différentes années de prélèvements. Finalement, l’étude des métabolites plasmatiques, en tant que reflets du métabolisme de l’animal, a mis en évidence une concentration plus importante en citrate chez les animaux de la lignée efficiente quel que soit le régime, ainsi que chez les animaux phénotypiquement efficients au régime CONC. En revanche, les animaux inefficients avaient des concentrations plus importantes en acides aminés circulants. Cette découverte implique que la sélection génétique pour l’efficience alimentaire a pu avoir un effet sur le métabolisme du citrate et/ou des acides aminés et ouvre la porte à de nouvelles études ciblées sur les mécanismes métaboliques associés à l’efficience alimentaire comme l’efficacité de la chaîne de phosphorylation oxydative mitochondriale ou le turnover protéique

Linear Fractional Transformation Modeling of Multibody Dynamics Around Parameter-Dependent Equilibrium

This brief proposes a new linear fractional transformation (LFT) modeling approach for uncertain linear parameter-varying (LPV) multibody systems with parameter-dependent equilibrium. Traditional multibody approaches, which consist of building the nonlinear model of the whole structure and linearizing it around equilibrium after a numerical trimming, do not allow to isolate parametric variations with the LFT form. Although additional techniques, such as polynomial fitting or symbolic linearization, can provide an LFT model, they may be time-consuming or miss worst case configurations. The proposed approach relies on the trimming and linearization of the equations at the substructure level, before assembly of the multibody structure, which allows to only perform operations that preserve the LFT form throughout the linearization process. Since the physical origin of the parameters is retained, the linearized LFT-LPV model of the structure exactly covers all the plants, in a single parametric model, without introducing conservatism or fitting errors. An application to the LFT-LPV modeling of a robotic arm is proposed; in its nominal configuration, the model obtained with the proposed approach matches the model provided by the software Simscape Multibody, but it is enhanced with parametric variations with the LFT form; a robust LPV synthesis is performed using MATLAB robust control toolbox to illustrate the capacity of the proposed approach for control design

Traitement de séries longitudinales pour l'imagerie médicale

L'imagerie médicale ne cesse de profiter des progrès technologiques et scientifiques. Elle permet d’explorer le corps humain sans examens intrusifs et d'opérer avec grande précision. La mise en avant des innovations technologies durant ces dernières années a favorisé l’émergence de nouvelles techniques pour l’aide au diagnostic. Pour des fins de précisions, le diagnostic peut être réalisé aujourd’hui sur des séries longitudinales d’images. Durant ces années de thèse, trois contributions ont été proposées : Nous avons présenté une méthode de pronostic Covid-19 basée sur des architectures d'apprentissage en profondeur. La méthode proposée est basée sur la combinaison d'un réseau de neurones convolutifs et récurrents pour classifier des images radiographiques thoraciques multi-temporelles et prédire l'évolution de la pathologie pulmonaire observée. L’un des principaux défis dans les méthodes d’apprentissage est l’optimisation des poids du réseau. Dans ce contexte, nous avons développé une nouvelle méthode d'optimisation bayésienne permettant d'ajuster les poids des réseaux de neurones artificiels parcimonieux. La méthode proposée repose sur la dynamique hamiltonienne avec des régularisations non lisses. Par la suite, nous étendons dans la troisième contribution le schéma d’optimisation en proposant une fonction d’activation entraînable à l’aide des Chaîne de Markov Monte Carlo

Télédétection spatiale de dépôts d'avalanche pour le suivi de zones à risque avalancheux

La surveillance du manteau neigeux, la prévision de son évolution et l'estimation du risque d'avalanche qui en découle font partie des missions de Météo-France. L'hétérogénéité des montagnes induite par le relief rend la prévision nivo-météorologique de ces territoires particulièrement difficile. A cela s'ajoute une forte demande sociétale de disposer de prévisions fiables de l'enneigement et du risque d'avalanche avec un niveau d'exigence sans cesse en accroissement tant sur la qualité des prévisions que sur leur forme et leur étendue géographique. La mise à disposition aux prévisionnistes nivologues et aux autres acteurs de montagne d'observation systématique sur l'activité avalancheuse permettrait une meilleure qualification des situations prévues par rapport aux événements passés et contribuerait à l'amélioration de la gestion du risque avalancheux. La localisation et l'estimation de taille des dépôts d'avalanches sont d'une grande importance pour les études de stabilité du manteau neigeux. Les avancées en matière de télédétection spatiale offrent la possibilité aux chercheurs et acteurs de montagne de suivre au plus près l'évolution du manteau neigeux. Dans cette thèse, nous exploitons les données d'observations satellitaires de Sentinel-1 couvrant l'intégralité des Alpes pour détecter les zones de débris avalancheux et pour suivre l'évolution de l'activité avalancheuse à l'échelle d'une région d'intérêt. Une méthode est développée permettant de détecter automatiquement les zones de débris d'avalanche de neige en utilisant une technique de segmentation novatrices des images Sentinel-1. Plusieurs autres développements algorithmiques sont menés pour améliorer les détections impliquant des méthodes de filtrage de fausses détection et de classification pour passer d'un ensemble de pixels avalancheux à un événement avalancheux. Les estimations de débris sont étudiées et leurs dépendances selon la direction de l'orbite, les caractéristiques du terrain (pente, altitude, orientation) examinées. La méthode de détection est également évaluée avec succès à l'aide d'une base de données indépendante issues d’identifications de débris d’avalanches sur une image optique de haute résolution. Par la suite, nous dérivons des indicateurs spatialisés à l'échelle des massifs de l'activité avalancheuses. Il s'agit de lignes de débris d'avalanches estimées par pente et par bandes d'altitudes. Ces indicateurs sont comparés à des données d'observations in-situ. Ce travail de thèse permet le développement de nouveaux produits à valeur ajoutée et est l'occasion d'initier une réflexion sur les besoins pour la prévision du risque d'avalanche et notamment le besoin de disposer d'indicateurs « synthétisables » sur des fenêtres temporelles d'intérêts (hebdomadaire, mensuelle, saisonnière) à des échelles allant de l'échelle locale (de l'événement) à l'échelle du massif

Extension de la méthode des Différences Spectrales à la combustion

L'amélioration des outils d'ingénierie utilisés dans le design des dispositifs industriels de combustion est indispensable afin de respecter les demandes de plus en plus restrictives pour réduire les émissions de gaz à effets de serre. Parmi eux, la mécanique des fluides numériques (CFD) est devenue essentielle pour étudier et optimiser les chambres de combustion au cours des dernières décennies. Elle se complète parfaitement aux expériences réelles qui peuvent être très couteuses et avec lesquelles il est impossible d'obtenir des informations sur n'importe quelle quantité d'intérêt en tout point de la chambre de combustion. En utilisant les simulations aux grandes échelles (LES), la CFD décrit directement l'interaction entre les flammes et les structures turbulentes avec une faible modélisation. La qualité des résultats LES est ainsi très dépendante de la discrétisation utilisée incluant à la fois le maillage et également les propriétés de dissipation et de dispersion des méthodes numériques utilisées. Cependant, la plupart des codes LES employés de nos jours dans l'industrie utilisent des schémas de discrétisation spatiale de basordre (LO) à cause de leur faible coût de calcul et leur facilité d'implémentation sur des maillages complexes. Pourtant, les méthodes numériques d'ordres élevés (HO) pour la LES sont développées depuis deux décennies et ont été appliquées sur des écoulements non-réactifs amenant à des résultats plus précis que les méthodes LO avec un plus faible coût de calcul. Bien que les méthodes HO semblent très prometteuses en combustion, en particulier pour mieux décrire le front de flamme, leur utilisation pour des écoulements réactifs restent encore à être démontrée. Au cours de ces travaux, les avantages et les bénéfices des méthodes HO en combustion sont évalués en utilisant la méthode des Différences Spectrales (SD) avec du raffinement $hp$. Premièrement, il est démontré que la formulation originelle des SD est instable pour des écoulements multi-espèces avec des propriétés thermodynamiques variant avec la température et la composition. Il a été constaté que calculer les variables primitives aux points solutions puis de les extrapoler aux points flux, au lieu de faire l'inverse en extrapolant d'abord les variables conservatives, rend stable la méthode SD dans ce cas-ci. De plus, une nouvelle méthodologie, également plus stable pour calculer les flux diffusifs aux interfaces des cellules est détaillée. Enfin, les conditions aux limites caractéristiques et de murs ont été étendues aux écoulements multiespèces dans le formalisme SD. Avec ces développements, des flammes laminaires pré-mélangées 1D et 2D ont été simulées avec des mécanismes réduits à 2 réactions ou des mécanismes réduits analytiquement. Les résultats sont très proches de ceux obtenus avec des solveurs de référence bien établis en combustion. Il est montré que pour un même niveau d'erreur, il est plus efficace d'utiliser des maillages grossiers avec des grandes valeurs de $p$ et non l'inverse. Par conséquent, le raffinement local en $p$, qui applique des grandes valeurs de $p$ dans les régions d'intérêts seulement, permet de garder une bonne précision à un coût de calcul plus faible. Ceci est particulièrement intéressant pour des simulations de combustion où le front de flamme est très localisé et requiert une plus grande précision que le reste de l'écoulement. Il est également observé sur ces cas simples 1D et 2D que la méthode SD est moins sensible à la discrétisation du front de flamme que les solveurs volumes finis comme AVBP. Pour terminer, deux différentes configurations de flammes 3D turbulentes ont été simulées avec l'algorithme des SD étendu aux écoulements réactifs

Du champ à l'ingrédient naturel : caractérisation des co-produits de grenade occitane pour leur valorisation

La culture du grenadier s’intensifie depuis une décennie en Occitanie à cause de la diversification vers des cultures résilientes au changement climatique. La production française est intégralement transformée en jus, générant d’importants volumes de co-produits (60 à 70 % du fruit frais). Cette étude présente l’évolution des teneurs des principaux composés à valeur ajoutée (polyphénols, lipides) des co-produits de grenades de la parcelle à leur extraction. Le système de culture (variété, conditions pédo-climatiques et traitement foliaire), la conservation des grenades (durée, température, humidité et immersion) et le conditionnement des co-produits (séchage et ensilage) affectent les polyphénols des péricarpes, et dans une moindre mesure les lipides des co-produits de pressage des graines. La teneur en polyphénols totaux des péricarpes est plus élevée pour la variété endémique Provence (294 mg eag/g ms) que pour les autres variétés étudiées (193 mg eag/g ms). Ces composés sont préservés par une conservation des fruits adaptée à la variété et par un séchage des co-produits à 40°C, qui permet de recouvrer 99 % des polyphénols totaux et 90 % de l’ellagitannin majoritaire, la punicalagine, par rapport à la lyophilisation. En revanche, l’acide ellagique s’accumule de façon plus importante dans la variété Valenciana conservée jusqu’à 8 semaines à 17 °C et plus de 92 % d’humidité (de 5 à 14 mg/g ms) et dans les péricarpes ensilés 4 à 6 semaines (de 3 à 25 mg/g ms). La fermentation spontanée multiplie aussi par deux le rendement en huile des co-produits de pressage des graines, de 10 à 19 %. Ce procédé préserve également le profil en acides gras, dominé par l’acide punicique (77 à 81 %). Sa teneur relative aux autres acides gras est cependant plus élevée dans les co-produits séchés directement (78 à 81 %). La durée de ce séchage peut être diminuée sans altérer la composition lipidique de 5 h en étuve ventilée à 30 min en sécheur à tapis à 100 °C

Liens entre le parasite d'amphibiens Batrachochytrium dendrobatidis et les biofilms benthiques de lacs de montagne pyrénéens

Mountain freshwater ecosystems provide essential services to humanity, such as the provision of clean water, but are strongly affected by anthropogenic global change despite their apparent isolation. Benthic biofilms, communities of organisms living in a matrix adhering to submerged surfaces, have critical functions in mountain lakes: among others, they detoxify water and form the basis of food webs. However, their composition and biodiversity are still poorly understood. Also, in the Pyrenees, some amphibian populations are threatened by chytridiomycosis, an infectious disease caused by the zoosporic fungus Batrachochytrium dendrobatidis (Bd). Its epidemiology is not fully understood but may depend on biofilms, which are abundant in mountain lakes and form the food of tadpoles. Here, I had two main objectives: first, to study the spatio-temporal variations of biofilm microbial biodiversity; second, to investigate the potential role(s) of biofilms in the epidemiology of Bd infections. To do this, I performed a metataxonomic analysis of the prokaryotic and microeukaryotic assemblages of 230 biofilm samples collected from 2016 to 2020 in 26 Pyrenean mountain lakes. Combining this with Bd infection data from tadpoles sampled in the same lakes, I explored the links between the microbial composition of biofilms and the distribution, frequency and population impacts of Bd infections. In the laboratory, I also tested whether a biofilm could affect the free-living, infectious stage of Bd, the zoospore. My hypotheses were that the biodiversity of biofilms would decrease and their assemblages would change over the course of the study, that biofilms from lakes with less infected/impacted amphibian populations would contain more Bd antagonists than biofilms from other lakes, and that biofilms produced in the laboratory would not affect the number of zoospores unless they contained Bd consumers. The diversity in both prokaryotic and micro-eukaryotic biofilm assemblages decreased over the study period. Their compositions also changed over the five years, with an increase in cyanobacteria (possibly toxigenic organisms) in prokaryotes and a decrease in diatoms (indicator organisms) in micro-eukaryotes. Taken together, these results show that benthic biofilm communities are degrading with potentially negative implications for the entire aquatic ecosystem and water quality. In addition, I found that biofilms in lakes where amphibians are less infected and less impacted by Bd had a higher abundance of Bd-inhibiting or Bd-consuming organisms. Finally, I showed that biofilms, even when they do not contain Bd consumers but only a phototrophic alga, can affect Bd zoospores by inactivating them or forcing them to immobilise. My transdisciplinary research illustrates the interactions between environmental health and animal and public health. Contemporary environmental changes are deteriorating biofilms, the very basis of food webs in mountain lakes. This is likely to have profound cascading effects on mountain socio-ecosystems as a whole, such as a potential increase in the risk of Bd infection and chytridiomycosis for amphibians, and cyanotoxicosis for all vertebrates that frequent mountain lakes, including humans and livestock. If mountain freshwater ecosystems are to continue to provide services rather than disservices, the factors contributing to biofilm change will need to be rapidly identified and mitigated