Modélisation et guidage robuste et autonome pour le problème du rendez-vous orbital

In this thesis, two fundamental steps of the orbital rendezvous are studied: the relative navigation and the minimum-fuel guidance. The first part is devoted to the modeling of spacecraft relative motion under linear assumptions. A comprehensive bibliography review and a novel method of relative motion model design are given in this part as well as a mapping between the various state space variables forms. These developments are undertaken in order to provide reliable and accurate navigation tools in the presence of orbital perturbations. The guidance is considered in the second part through the development of several algorithms for solving the fixed-time rendezvous problem. Each algorithm is developed using different theoretical tools such as indirect methods for solving optimal control problems based on the maximum principle or direct techniques exploiting the discretizing of optimal control problems and linear programming. Various objectives are considered through the use of these tools, including minimization of fuel consumption and robustness toward the navigation errors. Other algorithms are designed in order to improve their practical implementation thanks to the use of orbital mechanics theory. A set of validation tests and comparisons is made, where examples from academic literature and real missions are solved using the different algorithms. This is achieved in order to highlight the most relevant theoretical and practical aspects of the proposed algorithms.Dans cette thèse, nous nous intéressons à deux composantes fondamentales de l'opération du rendez-vous orbital : la navigation relative et le guidage à consommation minimale de carburant. La première partie est consacrée à la modélisation du mouvement relatif de satellites dans un cadre linéaire. Une analyse bibliographique approfondie ainsi que les développements d'une méthode de modélisation et d'une transformation de variables d'état du mouvement relatif sont proposées dans cette partie. Ces développements sont entrepris dans le but de fournir des outils de navigation relative fiables et précis même en présence de perturbations orbitales. Le guidage est abordé dans la seconde partie de la thèse à travers l'élaboration de plusieurs algorithmes de génération de plans de manSuvres pour la mise en Suvre du rendez-vous en temps fixé. Chacun des algorithmes développés est fondé sur des outils théoriques différents tels que les méthodes indirectes de résolution de problèmes de commande optimale basées sur le principe du maximum ou les techniques directes exploitant la discrétisation des problèmes de commande optimale et la programmation linéaire. L'utilisation de ces outils permet de couvrir des objectifs divers, notamment la minimisation de la consommation de carburant et la robustesse vis-à-vis des erreurs de navigation. D'autres algorithmes sont conçus dans le but d'améliorer leur embarcabilité à travers l'utilisation des bases de la mécanique spatiale. Un ensemble de tests de validation et comparaison est réalisé, portant sur des missions réelles ou des exemples académiques issus de la littérature et permettant de mettre en valeur les avantages pratiques les plus pertinents des algorithmes développés