N˚ d'ordre Annee

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N˚ d'ordre : 2400 Annee 2006 TH ESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale : Informatique et Telecommunications Specialite : Mathematiques Appliquees par Romain DUJOL Contribution a l'etude du controle optimal des transferts orbitaux mono-entree Soutenue publiquement le 23 Novembre 2006 devant le jury compose de : Prof. Joseph NOAILLES Directeur de these Prof. Moritz DIEHL Rapporteur Prof. Emmanuel TRELAT Rapporteur Prof. Bernard BONNARD Examinateur Dr. Jean-Baptiste CAILLAU Examinateur Dr. Richard EPENOY Examinateur

  • systeme de controle mono-entree

  • probleme en consommation minimale

  • bang bang

  • theorie du controle

  • controles optimaux

  • mono-entree

  • poussee

  • probleme de transfert orbital


Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 108
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N˚ d’ordre :2400 Annee´ 2006
`THESE
present´ ee´ pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE
TOULOUSE
´Ecole doctorale : Informatique et Tel´ ecommunications´
Specialit´ e´ : Mathematiques´ Appliquees´
par
Romain DUJOL
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal
des transferts orbitaux mono entree´
Soutenue publiquement le 23 Novembre 2006 devant le jury compose´ de :
Prof. Joseph NOAILLES Directeur de these`
Prof. Moritz DIEHL Rapporteur
´Prof. Emmanuel TRELATteur
Prof. Bernard BONNARD Examinateur
Dr. Jean Baptiste CAILLAU
Dr. Richard EPENOY2
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´3
`A mes parents
`A mes grands parents
`A Martin
`A Martine
Ce qui est cre´e´ par l’esprit est plus vivant que la matier` e.
Charles BAUDELAIRE, Fusees´ (1851)
Les mathematiciens´ sont comme les Franc ¸ais : des` qu’on
leur dit quelque chose, ils le traduisent dans leur langue,
et cela devient tout autre chose.
Johan Wolfgang GŒTHE, Maximes et Reflexions (1833)´
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´4
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´Introduction
Contexte de l’etude´
Le present´ rapport dev´ eloppe l’etude´ d’un probleme` de mecanique´ spatiale.
Plus precis´ ement,´ nous etudions´ le transfert d’un satellite d’une orbite a` une autre,
en nous restreignant aux trajectoires elliptiques autour de la Terre. Le probleme`
´de transfert orbital nous a et´ e´ soumis par le Centre National d’Etudes Spatiales
(CNES) de Toulouse. En plus des etudes´ realis´ ees´ par le CNES lui memeˆ [8, 36, 38]
et de nombreux travaux exterieurs´ [7, 24, 49, 53, 54, 68] montrant l’inter´ etˆ scienti
fique d’un tel probleme,` le transfert orbital a et´ e´ a` l’origine de plusieurs contrats
triennaux passes´ par le CNES avec l’equipe´ Algorithmes Paralleles` et Optimisa
tion et de nombreux rapports, articles et theses` ont et´ e´ publies.´ En particulier, deux
theses` [26, 47] ont permis une etude´ tres` poussee´ du probleme` de transfert orbi
tal en temps minimal aussi bien theoriquement´ que numeriquement.´ Deux autres
theses` [41, 50] ont par la suite traite´ le probleme` en consommation minimale en
tirant parti de la puissance des methodes´ homotopiques [5, 67].
Comme dans les etudes´ prec´ edents,´ notre etude´ met a` profit la theorie´ du con
troleˆ optimal [32, 48] et son fameux principe du maximum de PONTRYAGIN [56].
Nous nous consacrerons plus particulierement` a` l’utilisation des outils geom´ etri ´
ques appliques´ a` la theorie´ du controleˆ [1, 23, 43, 46].
Nos travaux s’inscrivent ainsi dans l’etude´ des conditions d’optimalite,´ avec
par exemple les principes du maximum d’ordre superieur´ [25, 45] ou l’analyse de
formes quadratiques [3,58,63]. Suite aux nombreuses etudes´ effectuees´ sur le trans
` `fert orbital, nous avons choisi de nous attacher a une configuration particuliere : le
transfert dit mono entree´ . Dans une telle configuration, la poussee´ est uniquement
dirigee´ selon la vitesse instantanee´ du satellite. De maniere` gen´ erale,´ l’etude´ d’un
systeme` de controleˆ mono entree´ requiert une attention particuliere` ainsi que le
montrent les etudes´ de Hector SUSSMANN dans le plan [65, 66] puis les etudes´
realis´ ees´ en dimension trois [2, 10, 60]. En effet, les controlesˆ optimaux peuvent
etreˆ “ bang bang ” et il faut alors formuler d’autres resultats´ et d’autres conditions
3(cf. [2, 61] dans R et [4, 59, 64] dans le cas gen´ eral).´ Notons que le probleme` de
transfert orbital est, comme nous le verrons plus tard, un probleme` en dimension
quatre au moins.
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´6
Organisation du rapport
Ce rapport est divise´ en trois parties :
1. La premiere` partie intitulee´ Modele` et conditions d’optimalite´ contient
trois chapitres :
– le Chapitre 1 presente´ le probleme` de transfert orbital dans son ensemble ;
– lee 2 rappelle et dev´ eloppe les conditions d’optimalite´ au pre
mier et au second ordre dans le cadre gen´ eral´ d’un probleme` de controleˆ
quelconque ;
– le Chapitre 3 revient sur le probleme` de transfert orbital vu comme pro
bleme` de controleˆ optimal et applique les resultats´ du chapitre prec´ edent.´
2. La seconde partie intitulee´ Moyennation dev´ eloppe la technique de moyen
nation (introduite pour le cas particulier du transfert orbital dans [37]) et
contient deux chapitres :
– le Chapitre 4 presente´ le probleme` de minimisation de l’ener´ gie du trans
fert orbital qui sera plonge´ dans un contexte sous Riemannien [22], gen´ e ´
ralisation du cadre Riemannien ;
– le Chapitre 5 presente´ les simulations numeriques´ realis´ ees.´
3. La troisieme` et derniere` partie intitulee´ Homotopies lisses dev´ eloppe les
regularisations´ du probleme` mono entree´ par l’outil homotopique [5] et con
tient deux chapitres :
– le Chapitre 6 presente´ les processus regularisants´ utilises´ et analyse leur
pertinence ;
– le Chapitre 7 utilise les processus introduits dans le chapitre prec´ edent´ et
etudie´ les resultats´ obtenus.
Enfin, l’Annexe A presente´ une methode´ constructive de gen´ eration´ de transferts
sous optimauxa` partir de [31].
Contributions
Le transfert mono entree´ est un probleme` nouveau et n’avait pas encore et´ e´
etudi´ e´ auparavant. Ce probleme` est lie´ a` l’etude´ de la contrainte de coneˆ [41] dont
il est le cas limite. Le transfert mono entree´ est physiquement interessant´ a` de
nombreux titres. La reduction´ des degres´ de liberte´ de la poussee´ n’affecte en rien
les propriet´ es´ de controlabilitˆ e´ du transfert et les resultats´ obtenus montrent que
l’on observe une faible degradation´ du temps de transfert par rapport au transfert
coplanaire bi entrees.´
Le controleˆ optimal est discontinu ou “ bang bang ”, ce qui constitue une
difference´ majeure avec les etudes´ prec´ edentes´ sur le temps minimal sans contrainte
sur la direction de poussee.´ Cela nous amene` a` considerer´ des approximations
lisses du transfert mono entree.´ Une approximation Riemannienne est obtenue en
2considerant´ le transfert moyenne´ avec minimisation de l’ener´ gie (i.e. norme L du
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´7
controle)ˆ ou` la contrainte sur le controleˆ est relaxee.´ Nous connectons eg´ alement
le transfert mono entree´ avec des transferts bi entrees´ connus : la contrainte de
controleˆ reste, mais les controlesˆ obtenus dans de tels cas sont lisses.
Pour chacune de ces approximations, une analyse fine de l’optimalite´ est reali ´
see.´ L’etude´ de la metrique´ Riemannienne du transfert moyenne´ est faite et met
en evidence´ le caractere` plat des transferts vers les orbites circulaires (dont les
orbites geostationnaires´ sont des exemples) : dans des coordonnees´ adaptees,´ les
trajectoires minimisantes sont des droites. On etudie´ eg´ alement les conditions du
deuxieme` ordre de type point conjugue´ sur les homotopies lisses.
Collaborations et financements
Ce travail a et´ e´ realis´ e´ dans l’equipe´ Algorithmes Paralleles` et Optimisation
de l’ENSEEIHT-IRIT (IRIT : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse,
UMR CNRS 5505) et finance´ par une allocation de recherche du Ministere` de
´l’Education, de l’Enseignement Superieur´ et de la Recherche.
Ce travail a et´ e´ effectue´ en partie dans le cadre d’un contrat avec le Centre
´National d’Etudes Spatiales (contrat 02/CNES/0257/00) et dans le cadre du
1reseau´ d’excellence HYCONFP6 IST 511368).
Dans le cadre du programme europeen´ Control Training Site (action Marie
´ ´ ´ ´Curie,www.mc cts.org), j’ai beneficie de trois mois (novembre 2004, decem
bre 2004 et janvier 2005) de formation a` la Scuola Internazionale Superiore di
Studi Avanzati de Trieste en Italie. Toujours dans le cadre du programme CTS, j’ai
eg´ alement ben´ efici´ e´ d’une formation intensive d’une semaine en controleˆ optimal
´non lineaire´ a` l’Ecole Nationale des Ponts et Chaussees´ a` Paris en fevrier´ 2005.
1pour HYbrid CONtrol,www.ist hycon.org
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´8
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´Table des matier` es
Introduction 5
I Modele` et conditions d’optimalite´ 11
1 Le probleme` de transfert orbital 13
`1.1 Modele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Problemes` de transfert orbital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 Les deux problemes` physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Les conditions necessair´ es d’optimalite´ 17
2.1 Methode´ indirecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Application du principe du maximum : calcul des extremales´ en
transfert orbital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
´2.3 Conditions du second ordre. Equation de JACOBI . . . . . . . . . 23
3 Transfert orbital : preliminair´ es geom´ etriques´ 27
´3.1 Equation de KEPLER et coordonnees´ orbitales . . . . . . . . . . . 27
3.2 Le probleme` de controleˆ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
II Moyennation 39
4 Le probleme` de minimisation de l’ener´ gie 41
4.1 Le cadre sous Riemannien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 La technique de moyennation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Probleme` associe´ au moyenne´ . . . . . . . . . . 44
4.4 Calcul du moyenne´ associe´ au transfert orbital . . . . . . . . . . . 44
5 Mise en œuvre pratique et simulation 53
5.1 Les restrictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 La methode´ de continuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´10 Table des matieres`
III Homotopies lisses 57
6 Les methodes´ de continuation 59
6.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
6.2 Continuations utilisees´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.3 Regularit´ e´ du chemin de continuation . . . . . . . . . . . . . . . 62
7 Mise en œuvre pratique et simulations 63
7.1 Algorithme de continuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.2 Resultats´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Conclusion 75
Annexes 79
A Construction de transferts d’orbites sous optimaux 79
A.1 des formes implicites . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
A.2 Reconstruction de l’etat´ a` partir des formes implicites . . . . . . . 82
A.3 Mise en œuvre pratique et simulations . . . . . . . . . . . . . . . 87
Liste des tableaux 93
Table des figures 96
Bibliographie 96
Remerciements 103
Index 105
Contribution a` l’etude´ du controleˆ optimal des transferts orbitaux mono entree´

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