Towards autonomous cislunar spaceflight : robust optimal control and optical navigation for lunar missions

À mesure que l’exploration spatiale s’étend au-delà de l’orbite terrestre basse, la quête d’autonomie s’impose comme un paradigme central pour renforcer la sécurité des missions, réduire la dépendance aux opérations au sol et abaisser les coûts globaux. Au-delà de son importance technique, l’autonomie ouvre également de nouvelles perspectives pour les acteurs privés du spatial, leur permettant de concevoir des missions plus ambitieuses tout en limitant les dépenses opérationnelles et la dépendance aux infrastructures terrestres onéreuses. Dans ce contexte, la Lune est envisagée comme l’étape clé de la future exploration interplanétaire et constitue un banc d’essai privilégié pour le développement d’une nouvelle génération de systèmes spatiaux autonomes, capables de se diriger et de se contrôler avec une intervention humaine minimale.Cette thèse traite deux aspects fondamentaux de l’autonomie dans l’espace cis-lunaire : le contrôle et la navigation. L’étude consacrée au contrôle explore une approche de commande optimale robuste, associée à des méthodes de propagation des incertitudes, afin de concevoirune loi de commande à faible coût de calcul permettant de corriger la trajectoire sans intervention au sol, tout en atténuant les effets de la dispersion, des incertitudes de navigation et des erreurs d’exécution des manoeuvres. L’étude sur la navigation vient compléter cet ensemble en fermant la boucle et en démontrant que la navigation optique peut constituer une solution autonome viable dans l’espace cis-lunaire. Sa principale contribution réside dans la simulation d’un processus réaliste de navigation optique, intégrant des cartes d’erreurs de mesure basées sur l’horizon dans des analyses de Monte-Carlo et de filtrage de Kalman. Ensemble, ces développements constituent les principales contributions de cette thèse, faisant progresser le contrôle robuste et la navigation autonome comme leviers essentiels pour des opérations spatiales autonomes, économiques et résilientes dans l’environnement Terre–Lune et au-delà.