Performance analysis and routing in nanosatellite constellations : models and applications for remote regions

La réduction des budgets du domaine spatial et les missions scientifiques traditionnelles ayant des coûts et une complexité croissants a amené la communauté scientifique à se concentrer sur les petits satellites qui fournissent non seulement des résultats scientifiques de valeur, mais permettent aussi de nouvelles applications dans le domaine de la télédétection, de la surveillance environnementale et des télécommunications. De plus, le concept de vol en formation de petits satellites est une technologie-clé pour beaucoup de missions spatiales futures, en améliorant la capacité de survie et réduisant le coût des missions. Ce travail de recherche a un double but : la proposition de modèles innovants de constellations de nano-satellites et de nouvelles approches de routage pour les réseaux de nano-satellites. Cette thèse propose et analyse trois modèles de constellations de nano-satellites dénommés NanoDREAM, NanoiCE et NanoSPHERE, qui fournissent des services de télécommunications aux régions éloignées. Le modèle NanoDREAM est conçu pour le Désert Salar de Uyuni en Bolivie, une région qui détient 70% de la réserve mondiale de lithium. Le modèle NanoiCE est destiné aux Régions Polaires, pour satisfaire les besoins de télécommunications de la communauté scientifique. Le modèle NanoSPHERE est conçu pour fournir une couverture globale de la Terre pour un marché de télécommunications concurrentiel. De plus, nous avons proposé une architecture pour le segment terrestre basée sur la technologie sans fil. Cette architecture a été déployée sur la zone d'exploitation du Désert Salar de Uyuni. Ces modèles ont été développés analytiquement et mis ensuite en œuvre dans le simulateur SaVi afin d'identifier la meilleure constellation satisfaisant les requis de la mission en terme de couverture et en réduisant au minimum le nombre de nano-satellites de la constellation. […]The growth in cost and complexity of traditional scientific missions along with the reduction in space budgets have determined space community to focus on small satellites that not only provide valuable scientific returns, but also allow completely new applications in remote sensing, environmental monitoring and communications. Furthermore, small satellite flying in formation is a key technology for many future space science missions, by improving mission survivability and reducing mission costs, and offering multi-mission capabilities, achieved through reconfiguration of formations.The main goal of this thesis is two-fold: proposing innovative nanosatellite constellation models andnew routing approaches for nanosatellite network telecommunications. Therefore, this research work proposes and analyzes three models of nanosatellite constellations, named NanoDREAM, NanoiCE, NanoSPHERE, that provide telecommunication services to remote regions of the Earth. NanoDREAM mode! is designed for Bolivia's Salar de Uyuni Desert, a region which detains 70% of the global lithium reserve. NanoiCE model is intended for Polar Regions, in order to meet the voice and data transfer needs of the entire Antarctic and Arctic scientific community. NanoSPHERE is aimed to provide global coverage in the context of a robust telecommunications market. Additionally, a ground segment architecture based on wireless technology and deployed over the exploitation area of Salar de Uyuni Desert was proposed. Moreover, two new methodologies were proposed: the first one is a method for estimating the number of nano-satellites needed to cover a specific region was, and the second one is a Markov modeling­ based method for evaluating the performance of nanosatellite constellations. [...