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Réseau spatial de l’UPSay :

catalogue de formations aux techniques spatiales

pour les doctorants

Préambule :

Le réseau spatial de l’UPSay a recensé les modules de master M2 ou d’écoles d’ingénieurs

particulièrement orientés vers les techniques spatiales. Cela a permis de constituer un catalogue des

modules de formations relatifs à l’espace au sein des établissements de l’UPSay. Ces modules

peuvent être ouverts à des doctorants de l’UPSay dans le cadre de leurs cours de thèse. Ce catalogue

est transmis aux responsables des écoles doctorales pour qu’ils puissent les proposer aux doctorants.

Pour constituer ce catalogue, nous nous sommes attachés à respecter les critères suivants :

- avoir l’accord du responsable de la formation d’accueillir des doctorants de l’UPSay sous

réserve de places disponibles

- que la formation ait un lien identifié avec les techniques spatiales (même si le cours peut

avoir d’autres applications que des applications spatiales)

- le module doit recouvrir une unité d’enseignement complète, que le doctorant doit suivre

dans son intégralité. Etant donné que le nombre d’heures de cours que les écoles doctorales

demandent aux doctorants de suivre ne dépasse pas quelques dizaines d’heures par an, on

s’est limité essentiellement à des modules ≤ 3ECTS (soit environ 30 heures de présence).

- privilégier si possible les cours concentrés sur une semaine bloquée (plus facile à gérer pour

un doctorant que des cours hebdomadaires).

Quatre établissements d’enseignement supérieur ont répondu positivement à la proposition de

contribuer au catalogue (Université Paris-Sud, UVSQ, Telecom ParisTech, Supélec), ainsi que

l’Ecole Doctorale d’Astronomie et d’Astrophysique (ED127) qui a mis en place des cours de thèse

pour ses doctorants. Le catalogue fait l’objet de l’Annexe 1, et les détails sur les modules sont

donnés dans l’Annexe 2.

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ANNEXE 1 : Liste des modules de formation au spatial

pour doctorants

Ecole Doctorale d’Astronomie et d’Astrophysique (ED 127): (cours de thèse mutualisables avec

d’autres ED) (Contact: Marc Ollivier: marc.ollivier@ias.u-psud.fr )

Le détail des modules de l’ED127 se trouve dans le document ED en ligne sur le lien suivant :

http://ecole-doctorale.obspm.fr/IMG/pdf/cours_doctoraux_2013-2014.pdf

modules d’ouverture :

- Analyse de données : méthodes et applications (une semaine bloquée, à l’IAS) (document ED

page 4)

- Sensibilisation à la conduite de projets (une semaine bloquée, au LESIA) (document ED page 4)

- Simulations numériques et calculs hautes performances (une semaine bloquée, à la maison de la

simulation) (document ED page 5)

- L’approche statistique Bayésienne par l’exemple (une semaine bloquée, à l’IAP) (document ED

page 5)

module d’approfondissement :

- Surfaces et atmosphères planétaires : approche comparative et exobiologie (15 heures) (document

ED page 7)

Université Paris Sud 11:

M2 « Astronomie, Astrophysique et Ingénierie Spatiale (AAIS), parcours « Outils et Systèmes de

l’Astronomie et de l’Espace » (contact: Pascal Bordé: pascal.borde@ias.u-psud.fr ) :

Le détail des modules du master AAIS se trouve sur le site : http://master.osae.fr/ , onglet

« enseignements », puis « cours proposés en M2 » :

Tronc commun :

- Ingénierie des systèmes et conduite de projet (tronc commun 2 ECTS, 36 heures)

Spécialisation « Techniques Instrumentales » :

- Mécanique et cryogénie (30 heures)

- Rayonnement millimétrique et détection micro-ondes (30 heures)

- Environnement spatial (36 heures)

Spécialisation « Techniques numériques » :

- Simulation numérique (30 heures)

- Systèmes numériques embarqués (30 heures)

M1 STU :

- Télédétection - 3 ECTS (Resp. : Frédéric Schmidt : frederic.schmidt@u-psud.fr ) (Annexe 2, page

4)

M2 STU - parcours Planétologie

- Etude des surfaces planétaires et techniques spatiales associées - 3 ECTS (resp. François Poulet :

francois.poulet@ias.u-psud.fr ) (Annexe 2, page 5)

3

Université de Versailles-Saint Quentin (UVSQ) : (Contact : Gérard Caudal : gerard.caudal@latmos.ipsl.fr )

M2 ICE - parcours Interaction Climat-Environnement (Resp. : Matthieu Roy-Barman :

matthieu.roy-barman@lsce.ipsl.fr )

- Méthodes expérimentales pour l’environnement – 3 ECTS

M2 ICE - parcours Méthodes Physiques en Télédétection (Resp. : Valérie Ciarletti)

- Radiométrie optique et micro-ondes - 3 ECTS (Annexe 2, page 6)

- Transfert radiatif - ≈3 ECTS (Annexe 2, page 8)

- Mécanique spatiale et orbitographie - 3 ECTS (Annexe 2, page 9)

- Systèmes spatiaux et droit de l’Espace - (option - 3 ECTS) (Annexe 2, page 11)

M2 ICE - parcours Planétologie (Resp. : Nathalie Carrasco)

- Capteurs pour l'exploration in situ des environnements planétaire - 3 ECTS (Annexe 2, page 13)

- Projet de définition scientifique d’une mission spatiale - 3 ECTS (projet pour rentrée 2014)

(Annexe 2, page 14)

M2 recherche et professionnel Traitement de l'Information et Exploitation des Données (TRIED)

(Resp. : Cécile Mallet, Sylvie Thiria)

- Apprentissage statistique : réseaux de neurones, cartes topologiques : méthodologie et applications

(4 modules de 2 à 3 ECTS , en formation à distance pour doctorants) (Annexe 2, pages 15 à 19)

Telecom ParisTech : (Contact: Anne-Claire Lepage)

modules pour les élèves ingénieurs en spécialisation :

- Systèmes de communications satellitaires et aéroportés (3 modules, pour un total de 60 heures,

certains cours peuvant être optionnels) (Annexe 2, page 20)

- Application du traitement des images (17 séances de 1h30) (Annexe 2, page 21)

SUPELEC : (Contact : Sihem Tebbani)

- Aéronautique et Spatial (24 heures par des industriels, prérequis en automatique) (Annexe 2, page

23)

- Systèmes spatiaux embarqués (24 heures + visite, par des industriels, prérequis en automatique,

limité à 18 personnes) (Annexe 2, page 25)

- Optimisation (24 heures) (Annexe 2, page 27)

- Systèmes de navigation (24h) (Annexe 2, page 29)

- Traitement des images : méthodes et outils (24h) (Annexe 2, page 31)

- Applications du traitement des images (Annexe 2, page 33)

- Méthodes de l’Automatique : principes et mise en oeuvre (24h) (Annexe 2, page 35)

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ANNEXE 2 : Détail des modules

Module de M1 GEOS411 (STU, UPSud) : Télédétection

Responsable : Frédéric SCHMIDT

Équipe enseignante : Frédéric SCHMIDT

Volume horaire : 3 ECTS (cours : 12h, TD : 9h, TP : 9)

Horaires :

Les lundis 18 nov. - 2 déc., 9h-12h15

Les mardis 26 nov.- 10 déc., 9h-12h15

Le mercredi 27 nov., 13h30-14h30

Le mercredi 4 déc., 9h-12h15 et 13h30-16h45

Objectif : La télédétection est largement utilisée en géosciences et dans les disciplines connexes (environnement,

urbanisme, géographie…) aussi bien en recherche que dans les secteurs professionnels. Ce module a pour objectif

d’initier les étudiants à la télédétection et ses applications essentiellement terrestres dans les domaines des Sciences

de la Terre (interprétations géomorphologiques et géologiques des images spatiales mono- et multi-spectrales).

Programme : L’ensemble du cours et des TDs s’appuiera sur des données aériennes et satellitaires terrestres et

extra-terrestres couvrant les bandes spectrales du visible, du proche infrarouge, de l’infrarouge thermique et du radar

(photographie aérienne, SPOT, Landsat, Airsar, Radarsat…). Différents points seront abordés comme :

Rappels de physique du rayonnement et introduction au transfert radiatif

Introduction au traitement du signal

Acquisition des données (types de capteurs, orbitographie, codage des données, résolutions spectrale et

spatiale...)

Données topographiques directes (GPS, altimètre LASER, radar) et indirectes (extraction des données

topographiques à partir de couples d’images en mode stéréoscopiques (visible et radar) : stéréoscopie,

photogrammétrie, interférométrie

Traitement de base d’image (histogramme, filtres, équalisation...). Classification supervisée ou non

Analyse et interprétation qualitative des images satellitaires en géologie et géomorphologie

Prérequis :

Bases de photo-interprétation et de mathématiques

Modalités de contrôle :

1ère session : Examen écrit

2ème session : Examen oral

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Parcours planétologie

UE 4 : Etude des surfaces planétaires et techniques spatiales associées

(3 ECTS)

Le but de ce module est d’apporter une connaissance de l’étude des surfaces planétaires en

abordant leur caractérisation minéralogique et chimique. Il fournira les principaux concepts

concernant le transfert de rayonnement dans les milieux compacts permettant l’interprétation des

données de télédétection. Le cours abordera une présentation des techniques d’observation

embarquées ou in-situ des surfaces planétaires. Il sera illustré par des exemples d’instruments

volant à bord de missions spatiales en cours (Cassini-Huygens vers Saturne et Titan, Rosetta vers

la comète Churyumov-Gerasimenko, Mars-Express et les MER vers Mars), avec des applications

possibles à la télédétection terrestre. L’accent sera mis sur la physique des processus en jeu dans

la technique de mesure utilisée, sur la notion de chaîne de prélèvement- préparation- analyse-

détection, sur les complémentarités entre mesures in-situ et par télédétection, et enfin sur

l’analyse conjointe de données d’imagerie et l’utilisation de bases de données de références

(observationnelles ou de laboratoire). Une moitié de l’enseignement sera consacrée à des travaux

pratiques ou dirigés.

1 - Caractérisation minéralogique et chimique des surfaces planétaires

Spectrométrie optique & infrarouge

Spectrométrie gamma & neutrons

Sondages radar

2 - Photométrie planétaire. Transfert de rayonnement dans les milieux compacts

3 - Traitement d’image, gestion de données, intégration de données d’imagerie

Responsable :

Francois Poulet, IAS (Institut d’Astrophysique Spatiale), Bâtiment 121, Université de Paris-Sud,

F 91405-ORSAY Cedex, Tel. 33+1 69 85 85 82, Fax. 33+1 69 85 86 75, E-mail :

francois.poulet[@robas]ias.u-psud.fr

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M2 recherche « Méthodes physiques en télédétection »

Module « Radiométrie optique et micro-ondes » (3 ECTS)

Responsable : Odile Picon ( odile.picon@univ-mlv.fr )

Autres enseignants : Monique Dechambre, Sophie Lachérade

a). Cours « Théorie des antennes »

Intervenant : Odile Picon ( odile.picon@univ-mlv.fr )

Organisation : 5x3h de cours +1x3h de travaux pratiques

Ouvrage : Picon, O. (2009), Les Antennes : théorie, conception et applications, Dunod, 371 pp.

Plan :

Principe de rayonnement d’une antenne

Description des différents types d’antennes et de leur utilisation

Caractéristiques des antennes

Rayonnement des courants

Rayonnement des ouvertures planes

Bilan de liaison

Réseaux d’antennes et systèmes multi antennes

Principe de radiométrie

Qualités radiométriques d’une antenne

TP1 : mesures d’antenne

b). Cours « Radiométrie micro-ondes »

Intervenant : Monique Dechambre (monique.dechambre@latmos.ipsl.fr)

Résumé : Ce cours est une introduction aux techniques d’observation de la Terre par radar et

radiomètre.

Organisation : 3x3h de cours.

Ouvrages :

Le Chevalier F. (2000), Principes de traitement des signaux Radar et Sonar, Masson, 270 pp.

Ulaby F. T., Moore R. K., Fung A. K. (1986), Microwave Remote Sensing : Active and Passive,

Artech House Publishers,

Volume I. Fundamentals and Radiometry (456 pp.)

Volume II. Radar Remote Sensing and Surface Scattering and Emission Theory (608 pp.)

Volume III. From Theory to Applications (1120 pp.)

Plan :

Mesures micro-ondes : introduction générale, rappels sur les ondes électromagnétiques

Bases du radar : définition, utilisation, équation du radar, principales composantes d’un

système radar, types de radars et techniques associées, traitement du signal radar

Radars embarqués sur satellite ou avion : principe, définition, choix techniques et

technologiques, paramètres techniques et performances d’un radar spatial, étalonnage

o Les altimètres

o Les « GPR » embarqués

o Les « SAR »

Applications pour l’observation de la Terre

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c). Cours : « Systèmes imageurs » Intervenant : Sophie Lachérade ( sophie.lacherade@cnes.fr )

Résumé : panorama des systèmes imageurs d’observation de la Terre par satellite dans le domaine

réflectif.

Organisation : 2x3h de cours

Ouvrage : Lier P., Valorge C., Briottet X. (2008), Imagerie spatiale : des principes d’acquisition au

traitement des images optiques pour l’observation de la Terre, Cepadues Editions, 844 pp.

Plan :

Introduction : exemples d’imageurs et d’applications, diversité spectrale, perturbation du

signal par la présence d’effets atmosphériques, effets directionnels des surfaces observées

Systèmes de télédétection satellitaire optique : choix de l’orbite, mode d’acquisition des

images, composants des systèmes imageurs (détecteurs, optique, filtres), traitement à bord,

segment sol, produits en sortie

Performance des imageurs : performances géométriques, résolution (netteté, échantillonnage,

interpolation), performances radiométriques (sources d’erreur, étalonnage)

Choix d’un instrument en fonction de l’application

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M2 recherche « Méthodes physiques en télédétection »

Module « Transfert radiatif » (7x3h)

Responsable : Cyril Crevoisier ( cyril.crevoisier@lmd.polytechnique.fr )

Cours : « Introduction au transfert radiatif »

Intervenant : Cyril Crevoisier ( cyril.crevoisier@lmd.polytechnique.fr )

Résumé : Ce cours a pour but d’introduire les notions de transfert radiatif direct et inverse qui sont à

la base de l’exploitation des observations spatiales du système Terre-Atmosphère. Après avoir

replacé l’observation satellitaire dans le contexte de l’étude du climat, les grandeurs et lois

fondamentales sont rappelées, ce qui conduit à l’établissement de l’équation de transfert radiatif qui

donne le rayonnement émis par l’atmosphère et reçu au sommet de celle-ci. Cette équation fait

intervenir diverses informations thermodynamiques, spectroscopiques et instrumentales qui sont

définies et les principaux modèles radiatifs directs sont décrits. Enfin, le problème inverse qui

consiste à passer des mesures aux variables atmosphériques est abordé et illustré par de nombreux

exemples tirés de l’exploitation de missions spatiales actuelles.

Organisation : 7x3h de cours

Plan :

Introduction au transfert radiatif : complexité du système Terre-Atmosphère, les grands cycles

climatiques, bilan radiatif terrestre, intérêt de l’observation spatiale

Champs de rayonnement : grandeurs énergétiques de base et unités, caractéristiques des

surfaces, rayonnement du corps noir

Equation de transfert radiatif : transmission atmosphérique, établissement de l’équation de

transfert radiatif, application au rayonnement montant

Equilibre thermodynamique local : équilibre thermodynamique, niveaux d’énergie, fonction

source d’émission, ETL et atmosphère terrestre

Spectre d’absorption de l’atmosphère terrestre : transitions électroniques, vibrationnelles et

rotationnelles, résolution spectrale, banques de données spectroscopiques

Transmission atmosphérique : coefficient d’absorption et facteur de transmission, formes de

raie, chemin géométrique, largeur équivalente, modèles raie-par-raie, modèles de bande

Compléments sur l’équation de transfert radiatif : cas particuliers en ciel clair, phénomènes de

diffusion, ETR dans les cas de diffusions

Inversion de l’équation de transfert radiatif : problèmes directs et inverses, fonction de poids,

inversion de l’ETR

Sondage vertical par satellite : généralités, les types de plateformes, les satellites polaires de la

NOAA, AIRS (Atmospheric Infrared Sounder), IASI (Infrared Atmospheric Sounding

Interferometer)

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M2 recherche « Méthodes physiques en télédétection »

Module « Mécanique spatiale et orbitographie » (3 ECTS)

Responsable : Michel Capderou ( capderou@lmd.polytechnique.fr )

Autre enseignant : Florent Deleflie

a). Cours « Mécanique spatiale »

Intervenant : Florent Deleflie ( florent.deleflie@imcce.fr )

Résumé : Nous présentons les grandes lois de la mécanique spatiale qui régissent le mouvement des

corps autour de la Terre. La présentation est illustrée d’exemples pratiques, en analysant les écarts au

mouvement képlérien et les conditions d’observation depuis le sol. Nous donnons aussi les

caractéristiques des grandes familles d’orbites, en insistant sur les orbites de la classe des GNSS.

Organisation : 4x3h de cours/TD

Ouvrages :

Capderou M. (2005), Satellites – Orbits and missions, Springer, 564 pp.

Kaula W. M. (2000), Theory of satellite geodesy: Applications of satellites to geodesy, Dover

Publications, 140 pp.

Murray C. D., Dermott S. F. (2000), Solar System dynamics, Cambridge University Press, 608 pp.

Plan :

Introduction : définition de l’orbitographie, position du problème ; le mouvement vu comme

un senseur de forces (restitution d’orbite) ; différents types d’orbites

Généralités sur l’environnement spatial : environnements gravitationnel et non gravitationnel ;

caractérisation des environnements planétaires ; le cas spécifique du système Terre ; analyse

de mission et physique fondamentale

Problème des deux corps

Propagation numérique d’une orbite perturbée : principes généraux (repère de travail, bilan

des forces) ; écriture des équations du mouvement ; principes de l’intégration numérique ;

algorithmes classiques d’intégration numérique ; applications et aspects qualitatifs en

dynamique orbitale

Les équations du mouvement perturbé : principes de l’approche ; équations planétaires de

Lagrange ; équations de Gauss

Développement en harmoniques sphériques : loi de la gravitation et potentiel ; écriture du

développement ; interprétation des premiers termes

Bilan des forces intervenant en dynamique orbitale : forces d’origine gravitationnelle

(potentiel interne, potentiel externe, autres forces gravitationnelles) ; forces d’origines non

gravitationnelles

Mise en évidence des perturbations orbitales : terme principal en J2 (illustration numérique,

interprétation analytique) ; autres termes du champ de gravité ; autres perturbations

Principes de la restitution d’orbite : équations variationnelles ; approches itératives pour le

calcul d’orbite ; stratégies de calcul d’orbites

Conclusions, discussions, exercices …

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b). Cours « Orbitographie »

Intervenant : Michel Capderou ( capderou@lmd.polytechnique.fr )

Résumé : Ce cours s’appuie sur les bases acquises en mécanique spatiale pour appliquer plus

spécifiquement ces notions à l’orbite des satellites. En étudiant les mouvements relatifs entre l’orbite,

la Terre et le Soleil, on s’intéresse particulièrement aux satellites d’observation de la Terre (et le cas

très important des héliosynchrones). On étudie aussi la trace des satellites (et les répétitivités de

traces), l’évolution de leur altitude, ainsi que les conditions géométriques de prise de vue (fauchée

des instruments, échantillonnage spatio-temporel). On termine par une brève étude des satellites

autour de Mars ou d’autres corps célestes.

Organisation : 4x3.5h de cours, dont 3 heures effectuées avec matériel informatique pour l’utilisation

du logiciel IXION (orbitographie et échantillonnage).

Ouvrages :

Capderou M. (2003), Satellites – Orbites et missions, Springer (Berlin, Paris), 504 pp.

Capderou M. (2005), Satellites – Orbits and missions, Springer (Berlin), 564 pp.

Capderou M. (2012), Satellites : de Kepler au GPS, Springer (Berlin, Paris), 866 pp.

Capderou M. (2014), Handbook of Satellite Orbits: from Kepler to GPS, Springer (New York), 933

pp.

Plan :

Rappels et applications : ellipsoïde terrestre, latitude géodésique et latitude géocentrique ;

anomalies v, E et M, moyen mouvement ; paramètres orbitaux (éléments képlériens)

métriques et angulaires ; potentiel terrestre

Satellite en orbite réelle (perturbée) : liste des perturbations ; étude du mouvement perturbé

par la méthode de Lagrange (ébauche) ; variations séculaires ; variations à longue période, à

courte période ; différentes définitions de la période

Mouvement orbite/Terre/Soleil : précession nodale, précession apsidale ; calcul effectif de la

période et de l’altitude ; mouvements de la Terre (diurne, annuel), mouvement des pôles ;

mouvement apparent du soleil (déclinaison, équation du temps) ; satellites géosynchrones,

maintien à poste ; satellites héliosynchrones, maintien en orbite

Trace du satellite : trace d’orbite circulaire, d’orbite elliptique ; utilisation des éléments

orbitaux NORAD

Orbite par rapport au soleil (passage, heure) : heure de passage et satellite héliosynchrone ;

cycle de précession ; dérive de l’heure locale

Orbite par rapport à la Terre (phasage, altitude) : contrainte de phasage ; diagramme de

phasage ; grille de référence ; altitude au cours d’une révolution ; orbite gelée

Vue depuis le satellite : fauchée des instruments, géométrie de visée ; échantillonnage spatial

et temporel ; tableaux mensuels d’échantillonnage

Satellite d’autre corps céleste : satellite de Mars ; satellite d’autre planète, de satellite naturel

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M2 recherche « Méthodes physiques en télédétection »

Module « Systèmes spatiaux et droit de l’espace » (3 ECTS)

Responsable : José Achache ( achache@ipgp.fr )

Autres enseignants : David Comby, David Mimoun, Laurence Ravillon

a). Cours « Application opérationnelle des techniques spatiales »

Intervenant : José Achache ( achache@ipgp.fr )

Organisation : 3x3h de cours/TD

b). Cours « Ingénierie satellite »

Intervenant : David Mimoun ( david.mimoun@isae.fr )

Résumé : Ce cours présente une première approche de l’ingénierie satellite

Organisation : 2x3h de cours

Ouvrages :

CNES (2002), Cours de technologie spatiale : techniques et technologies des véhicules spatiaux,

CNES et CILF, 3 volumes : 621, 1087, 803 pp.

Larson W. J., Wertz J. R. (1999), Space mission analysis and design, Microcosm Press, 969 pp.

Plan :

Introduction aux systèmes spatiaux : définition ; place du satellite dans le système spatial

Contraintes de design des satellites : analyse mission ; environnement spatial ; contraintes

charge utile (pointage, profil de puissance)

Description des sous-systèmes satellite

Les charges utiles, exemple et contraintes

Les grands trade-off (autonomie/architecture centralisée ….)

L’AIV (Intégration, validation et tests)

Elements de management d’un satellite (notion de phase projet, WBS, product tree ….)

Maturité (TRL), gestion des risques

c). Cours « Systèmes de positionnement »

Intervenant : David Comby ( david.comby@developpement-durable.gouv.fr )

Organisation : 1x3h de cours

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d). Cours « Droit de l’espace »

Intervenant : Laurence Ravillon ( laurence.ravillon@u-bourgogne.fr )

Organisation : 2x3h de cours

Ouvrages :

Achilleas P. (2009), Droit de l’espace : télécommunication, observation, navigation, défense,

exploration, Larcier, 384 pp.

Martin A., Couston M., Ravillon L. (2009), Galileo : chronique d’une politique spatiale européenne

annoncée, Lexis Nexis, 346 pp.

Ravillon L. (1997), Les télécommunications par satellite, aspects juridiques, Lexis Nexis, 509 pp.

Ravillon L. (2003), Le droit des activités spatiales : adaptation aux phénomènes de

commercialisation et de privatisation, Lexis Nexis, 678 pp.

Ravillon L. (2005), Le droit des activités spatiales à l’aube du XXIe siècle, Lexis Nexis, 349 pp.

Ravillon L. (2008), Gestion et partage des risques dans les projets spatiaux : questions d’actualité,

Editions A. Pedone.

Plan

Les sources du droit de l’espace : sources internationales (traités spatiaux), sources internes

(lois spatiales), sources contractuelles

L’encadrement juridique des activités spatiales : télécommunications par satellite,

télédétection par satellite, navigation par satellite, véhicules suborbitaux habités et tourisme

spatial

La gestion contractuelle des risques engendrés par les activités spatiales

Les aspects contentieux

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Parcours planétologie

UE 3 : Capteurs pour l’exploration in-situ des environnements planétaires

Ce module est consacré aux instruments de mesure modernes mis en œuvre sur les plateformes en

orbite autour des planètes, ou déposées à leur surface.

Il met l’accent sur les mesures de composition chimique et isotopique (atmosphères neutres,

milieux ionisées, échantillons solides prélevés), ainsi que sur le sondage électromagnétique du

proche sous-sol des corps solides du système solaire, à partir d’instrumentation spatiale

développée en Ile-de-France. Il est illustré par des exemples d’instruments volant, ou en passe de

voler, à bord de missions spatiales passées (Cassini-Huygens pour la surface de Titan), en cours

(Rosetta vers la comète Churyumov-Gerasimenko, Mars Science Laboratory vers la surface de

Mars, Phobos-Grunt vers la surface de Phobos), et à venir (EJSM vers les système de Saturne,

Exomars vers la surface de Mars).

L’accent sera mis sur la physique et/ou la chimie des processus en jeu dans la technique de

mesure utilisée, sur la notion de chaîne de prélèvement- préparation- analyse- détection, et sur les

complémentarités entre mesures in-situ et par télédétection. L’enseignement repose

essentiellement sur des cours magistraux associés à des travaux dirigés. Une application pratique

sera menée sur une des techniques enseignées (chromatographie en phase gazeuse). Les cours

ayant lieu dans différents lieux, ils sont également l’occasion de visites de laboratoire impliqués

dans les développements instrumentaux pour l’analyse in situ.

1 - Introduction générale : Place de l’analyse in situ en planétologie Spécificités

analytiques et implications Historique de l’analyse in situ et exemples actuels

2 - Systèmes de prélèvement et de préparation d’échantillons gazeux et solides

3 - Systèmes d’analyse des environnements neutres et de la matière solide : Spectrométrie de masse Chromatographie en phase gazeuse Méthodes

électromagnétiques : spectroscopie d’absorption par diode laser, sondage électromagnétique,

sondage radar

4 - Mesure in situ des milieux ionisés

5 - Séminaires et visites de laboratoires

Responsable :

Cyril Szopa, Laboratoire des ATmosphères, Modélisation et Observations Spatiales (LATMOS),

IPSL/CNRS, Site de Guyancourt, 11 Bd D’Alembert, 78280 Guyancourt Tél : 33 (0)1 80 28 52

89 ; E-mail : cyril.szopa[@robas]latmos.ipsl.fr

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Parcours planétologie

UE 11 : Projet de définition scientifique d’une mission spatiale (3 ECTS)

Il s’agit de travailler avec des experts de la NASA et avec des enseignants de l’équipe

pédagogique impliqués dans des missions spatiales. Le but du module est d’apprendre à

concevoir et à rédiger des propositions de projets scientifiques à visée d’exploration spatiale, en

réponse aux appels d’offres étudiants diffusés par les grands organismes du spatial (CNES, ESA,

NASA..).

Ce module est essentiellement basé sur du travail personnel et une séance de cours introductif.

Contact pour l’UVSQ : Nathalie Carrasco (nathalie.carrasco@latmos.ipsl.fr)

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Apprentissage statistique : réseaux de neurones, cartes topologiques

Méthodologie et applications

Responsables : Sylvie Thiria - Cécile Mallet

Pour les inscriptions et informations complémentaires :

Contact: cécile.mallet@latmos.ipsl.fr

Tel : 01 80 28 52 16

Organisation de la formation à distance

La formation a lieu via la plateforme de formation à distance de l’Université de Versailles-

Saint-Quentin.

Le cours est constitué d’un ensemble de présentations visuelles interactives et d’une bande

son associée. Des documents au format pdf permettent d’approfondir l’apprentissage.

Des exercices de Travaux dirigés sont proposés pour chacun des modules et en fin de

formation un TP sera réalisé. Il est nécessaire de disposer et de connaitre le logiciel Matlab

Pour chacun des modules un Travail Pratique (TP) sera réalisé, le temps nécessaire

dépend de chacun.

Le temps nécessaire dépend de chacun :

Les modules 2 et 4 proposés correspondent à 20 heures de cours en enseignement

classique

Le module 3 est un projet qui ne peut être réalisé qu’en complément du module 2

L'évaluation de chacun des modules est effectuée à partir d’un compte rendu du travail

pratique réalisé pour lequel les codes et les données sont fournies.

Dates limites Module 1

(2 ECTS) Module 2

(3 ECTS) Module 3

(2 ECTS) Module 4

(3 ECTS)

inscription 29 Février-

15 Mars

29 Février-

15 Mars

29 Février-

15 Mars

29 Février-

15 Mars

remise du compte

rendu de la

première partie

pratique

15 Avril 15 Avril 15 Avril 15 Avril

Correction par le

tuteur de la

première partie

pratique

15 Mai 15 Mai 15 Mai 15 Mai

Remise du

compte rendu

final de la

seconde partie

pratique

15 juin 15 Juin 15 Juin 15 Juin

Evaluation par le

tuteur de la

seconde partie

pratique

15 Juillet 15 Juillet 15 Juillet 15 Juillet

Les comptes rendus peuvent être remis en anglais ou en français

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Apprentissage statistique : réseaux de neurones, cartes topologiques

Méthodologie et applications Module 1

Statistiques descriptives unidimensionnelles et Indicateurs bidimensionnels

(3 ECTS)

Répertoire FOAD TPA01 TPA02 TPA03

Ce module est un module pratique qui nécessite des connaissances en statistique descriptive.

Pour certains rappels de statistiques, vous pouvez vous rendre sur le site de statnet à l’adresse

:http://www.agro‐ montpellier.fr/cnam‐ lr/statnet/cours.htm

L’objectif est d’acquérir la maitrise de méthodes statistiques classiques nécessaires à une

première analyse de données. Les travaux pratiques sont réalisés soit à partir de données

synthétiques soit à partir de données réelles (pluviométrie au Sénégal et effet de serre)

Partie 1 : Le travail pratique TP aborde le traitement de données statistiques

unidimensionnelles, pour lequel il faudra déterminer des indicateurs élémentaires (moyenne,

écart type, médiane, ...) et donner des représentations graphiques comme par exemple des

camemberts, des histogrammes, et des boîte à moustaches). L’objectif des exercices proposés

est d’apporter une première compréhension de l’information véhiculée par les données à

travers ces indicateurs et représentations.

Il s’agit d’aborder successivement trois jeux de données

- déterminer des indicateurs élémentaires et leur représentation graphique dans le cas du lancé

de dés

- représentation par histogramme de données simulées (selon une loi de probabilité) et une

illustration du théorème de la limite centrale

- statistique descriptive de données réelles qui concernent la pluviométrie au Sénégal.

Partie 2 : Le travail pratique TP aborde le traitement de données statistiques

bidimensionnelles il s’agit ici de données environnementales qui entrent en jeu dans l’étude

de l’effet de serre. Cette partie est plus particulièrement dédiée aux corrélations linéaires et à

la régression linéaire aux moindres carrés. Après avoir étudié l’évolution des températures

observées en plusieurs points du globe par une approche statistique dans le cadre de laquelle

on sera amené à calculer des corrélations et on représentera les données par des nuages de

points (diagramme de dispersion). Nous verrons ensuite comment étudier les relations

linéaires entre les variables de température et de CO2.

17

Apprentissage statistique : réseaux de neurones, cartes topologiques

Méthodologie et applications Module 2

Initiation et mise en oeuvre d’un réseau de neurones multicouche (3 ECTS)

Répertoire FOAD A11 B11 B21 B22 B23 TPB01

Ce cours est un cours de niveau master ou même de niveau supérieur. Un niveau licence en

statistiques, en analyse de donnée, en probabilité et en analyse est souhaitable pour suivre ce

cours. Ce module comprend une partie théorique et une partie réalisée avec le logiciel Matlab

Le cours présente la théorie et la mise en oeuvre des méthodes de régression non

linéaires par Perceptron multicouches et permet d’aborder les notions fondamentales

liées à l’apprentissage statistiques. La partie théorique se décompose en quatre

modules de Formation à distance :

o Introduction aux méthodes neuronales et à l’apprentissage statistique

o Perceptron et séparabilité linéaire

o Réseaux Multicouche et séparabilité non linéaire

o Régression non linéaire et classification avec un Perceptron Multicouche)

Le travail pratique TP aborde l’apprentissage de l’Espérance (TP partie 1) et de la

Variance (TP partie 2) sur un jeu de données synthétiques. Le but du TP est de

mettre en oeuvre une méthodologie constructive pour déterminer une fonction de

régression à l’aide de perceptrons multicouches.

o TP Partie 1 : - Un PMC réalisant une régression à partir de données

brutessimulées pour approximer l’espérance. Il s’agit d’une application

directe ducours sur des données synthétiques. La réalisation de cette partie

est suiviede la rédaction d’un compte rendu Des échanges auront lieu entre

tuteurs et apprenants afin d'améliorer le travail rendu si nécessaire.

o TP Partie 2 : - Une approximation de la variance de données brutes

également effectuée par une régression à l’aide PMC. La réalisation de cette

seconde partie donne lieu à un second compte rendu qui ferra l’objet d’une

évaluation

18

Apprentissage statistique : réseaux de neurones, cartes topologiques

Méthodologie et applications Module 3

Mise en oeuvre d’un réseau de neurones multicouche dans le contexte de la

télédétection spatiale (2 ECTS)

Répertoire FOAD TPB05

Ce module est un travail pratique de niveau master ou même de niveau supérieur. Un niveau

licence en statistiques, en analyse de donnée, en probabilité et en analyse est souhaitable pour

suivre ce cours. Ce module propose aux apprenants qui ont suivi le Module 1 de mettre en

oeuvre une méthode neuronale pour la détermination des épaisseurs optiques des aérosols par

inversion de données radiométriques sur les océans

Des éléments bibliographiques (thèse) sont fournis pour permettre aux apprenants

d’appréhender le domaine d’application.

Le travail pratique TP aborde la méthodologie d’apprentissage (TP partie 1) et de

validation (TP partie 2)

o TP partie 1 : Il s’agira de construire, par apprentissage, un PMC capable de

retrouver l’épaisseur optique des aérosols à partir de leurs réflectances et des

éléments géométriques dus aux angles de visée (positions relatives du soleil et

du satellite). Un travail préalable sur les données disponibles sera nécessaire

pour les organiser et les normaliser. La réalisation de cette partie est suivie de

la rédaction d’un compte rendu Des échanges auront lieu entre tuteurs et

apprenants afin d'améliorer le travail rendu si nécessaire.

o TP Partie 2 : La partie 2 s’intéressera à la validation du modèle élaboré dans la

1ère partie. Cela consistera en la mise à l’épreuve du modèle PMC sur des

images satellitaires et à effectuer des comparaisons avec les sorties de la chaine

de traitement SeaWifs délivrée par la NASA. La réalisation de cette seconde

partie donne lieu à un second compte rendu qui fera l’objet d’une évaluation

19

Apprentissage statistique : réseaux de neurones, cartes topologiques

Méthodologie et applications Module 4

Initiation et mise en oeuvre d’une carte topologique (3 ECTS)

Répertoire FOAD C11 C21 C22 TPC01

Ce cours est un cours de niveau master ou même de niveau supérieur. Un niveau licence en

statistiques, en analyse de donnée, en probabilité et en analyse est souhaitable pour suivre ce

cours. Les cartes topologiques ou auto-organisatrices (cartes auto organisatrice de Kohonen)

font partie de la famille des modèles dits à «apprentissage non supervisé», elles permettent

d’étudier des données d’observation en effectuant de la classification automatique. Le but

premier des cartes auto organisatrices est descriptif : les données étudiées ici sont des

observations. Comme pour d’autres techniques de classification automatique comme les k-

moyennes, les nuées dynamique ou la segmentation par arbre, il s’agit de regrouper des

données «similaires», mais la notion d’ordre topologique est un apport supplémentaire permis

par les cartes topologiques. Ce module comprend une partie théorique et une partie réalisée

avec le logiciel Matlab

Le cours présente la théorie et la mise en oeuvre des méthodes de classification

automatique par cartes topologiques. La partie théorique se décompose en quatre

modules de Formation à distance :

o Introduction à la quantification vectorielle –méthode des k-moyennes

o Cartes topologiques - Apprentissage

o Classification et cartes topologiques

o Exemples d’applications

Le travail pratique TP a pour but de commencer à familiariser l’auditeur, avec le

maniement des cartes topologiques et leur exploitation. Il se décompose en deux

parties :

o TP Partie 1 : Il s’agit d’une application directe du cours sur des données

simulées. Nous chercherons à trouver une taille de carte topologique optimum

d’abord en 1D puis en 2D. Dans le cas 2D nous complèterons les résultats avec

une classification par labellisation. La réalisation de cette partie est suivie de la

rédaction d’un compte rendu Des échanges auront lieu entre tuteurs et apprenants

afin d'améliorer le travail rendu si nécessaire.

o TP Partie 2 : Dans cette seconde partie nous travaillons sur des données réelles.

Il s’agit de la mise en oeuvre des cartes topologiques pour la classification de

chiffres manuscrits pour lesquels différents codages seront utilisés. On

s’intéressera à trouver des paramètres d’apprentissage optimum et à montrer une

représentation interne de la carte. La réalisation de cette seconde partie donne

lieu à un second compte rendu qui fera l’objet d’une évaluation

20

Systèmes de communications satellitaires et aéroportés (TELECOM ParisTech)

Responsable Anne Claire Lepage (anne-claire.lepage@telecom-paristech.fr)

Cette unité d'enseignement prépare aux métiers liés au domaine des Communications spatiales et

aéronautiques.

Les intervenants sont des enseignants-chercheurs de l'école ainsi que des professionnels du secteur

spatial (constructeurs, opérateurs, ...)

Pour la partie "Communications par satellites", les objectifs sont :

- comprendre le fonctionnement global d’un système de communications par satellites

- connaître les différents éléments constituant le système

- pour une application donnée, identifier les paramètres importants afin d’être capable de faire des

choix sur le système

Pour la partie "Radionavigation aérienne", les objectifs sont :

- identifier et distinguer les dispositifs de navigation aérienne

- comprendre leur fonctionnement

Le module complet est de 60 heures. Il se déroule de mi-février à début mai.

Dans le cadre de la formation doctorale, certains cours peuvent être optionnels afin de réduire le

nombre d’heures.

Module 1 : Techniques pour les communications satellitaires

- Introduction aux systèmes de télécommunications par satellite (architecture d'un système de

télécommunications par satellite, orbites, fréquences, spécificités de l'environnement spatial,

éléments constituant un satellite, ...)

- Charge utile d'un satellite de télécommunications

- Exemple de dimensionnement d’une charge utile

- Charge utile avec traitement bord et multi-spots

- Le segment sol

- Bilan de liaison spatiale

- Caractéristiques d'une liaison : objectifs de qualité, techniques de modulation et techniques d'accès

multiples pour les systèmes satellitaires

- Communications par satellites : La vision de l’opérateur

- Orbitographie

Module 2 : Applications Satellites actuelles et futures : communications, observation et géo-

localisation

- Satellites pour l'imagerie ; instruments ; altimètres et radars imageurs (SARs) pour l'observation de

la terre

- Diffusion et multimédia par satellites

- Les systèmes VSAT

- Principes et technique de géo-localisation par satellites

Module 3 : Avionique : techniques de radiocommunication pour la navigation et la sécurité

aérienne.

- Les instruments embarqués pour la navigation aérienne. Aide à l'approche et à l'atterrissage.

- Systèmes de sauvetage.

21

Application du traitement des images (TELECOM ParisTech)

Responsable Jean-Marie Nicolas (jean-marie.nicolas@telecom-paristech.fr)

Ce module a pour vocation de donner aux étudiants une bonne connaissance du traitement

numérique des images satellitaires et de les préparer aux divers métiers qui leur seront offerts

dans les industries et les laboratoires de recherche concernés par l'analyse et le traitement des

images.

Sont abordés tout d’abord les enjeux de la numérisation de la chaîne d'analyse de l'image, les

moyens mis en place pour obtenir les images, enfin les principales familles de traitements

nécessaires pour analyser et interpréter les images.

Ce module est de 25 heures environ. Il se déroule de début mai à fin juin.

Programme :

- satellites et géométrie des images

- applications de la télédétection

- imagerie satellitaire optique

- principes de l'imagerie radar à synthèse d'ouverture

- traitement des images RSO

- polarimétrie

- analyse du relief, images optiques et radar

- visualisation et traitement d'images satellitaires

- indexation et fouille en imagerie satellitaire

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SUPELEC

Contact : Sihem Tebbani (sihem.tebbani@supelec.fr)

Liste des cours Aéronautique et spatial .......................................................................................................................... 23

Systèmes spatiaux embarqués ............................................................................................................... 25

Optimisation .......................................................................................................................................... 27

Systèmes de navigation ......................................................................................................................... 29

Traitement des images : méthodes et outils ........................................................................................... 31

Applications du traitement des images .................................................................................................. 33

Méthodes de l'automatique : principes et mise en œuvre ...................................................................... 35

23

Aéronautique et spatial Responsable pédagogique : Gilles Duc (gilles.duc@supelec.fr)

Durée : 24h

Le contrôle des avions, des hélicoptères, des lanceurs, des satellites ou des missiles est un

domaine d'application privilégié des méthodes de l'automatique. Ce cours propose un panorama

des principales applications aux systèmes aéronautiques et spatiaux, chacune présentée par un

spécialiste d'une entreprise leader dans son domaine.

Notions générales d'aérodynamique et de mécanique du vol Atmosphère, forces et moments aérodynamiques. Ailes et dispositifs de pilotage. Stabilité. Vol

stabilisé en palier et en manœuvre. Equations du mouvement. Particularités de différents types

d'aéronefs.

Pilotage des avions civils Introduction à la philosophie de pilotage AIRBUS. Description du cahier des charges multi-

objectifs. Modélisation de la boucle fermée de pilotage. Synthèse de lois de pilotage avion rigide

par une approche modale. Synthèse de lois de pilotage avion flexible. Axes de recherche.

Pilotage des missiles tactiques Configurations aérodynamiques, actionneurs et modes de pilotage. Cahier des charges et structure

des chaines de pilotage.

Lois de pilotage, méthodes de synthèse et d'analyse, principaux compromis. Axes de recherche.

Pilotage des hélicoptères Caractéristiques de l'hélicoptère, contraintes des systèmes de conduite du vol, constitution des

systèmes de conduite du vol.

Processus de définition des lois de commande, mise au point et validation, performances.

Pilotage des lanceurs Problématique du pilotage d'Ariane 5. Caractéristiques du lanceur, cahier des charges du pilotage

(instabilité, tenue des structures, phénomène de flexion, robustesse). Pilotage par commande

LQG puis par commande H-infini : modélisation, critère de commande, validation,

implémentation et comparaison des deux méthodes.

Systèmes de commande d'attitude et d'orbite des satellites Cahier des charges d'automatique pour applications spatiales. Formulation mathématique des

critères : besoin de performance en suivi de cible, rejet des perturbations, robustesse aux

dynamiques non modélisées (sur des exemples de satellite d'observation, rendez-vous spatial,

manoeuvres orbitales). Application aux structures flexibles : formulation classique, résolution

Hinfini. Numérisation, complexité et sensibilité à la troncature numérique des correcteurs

embarqués.

24

Guidage des missiles tactiques Spécifications système. Modes de guidage. Approfondissement de la navigation proportionnelle ;

distance de passage et paramètres influents : durée d'autoguidage, distance à rattraper, bruits,

manoeuvres cible, manoeuvrabilité et constante de temps missile ; lien avec la commande

optimale. Asservissement autodirecteur et découplage de la ligne de visée.

Guidage et optimisation de trajectoires des lanceurs Notions de commande optimale. Méthodes numériques et pratiques d'optimisation de trajectoires.

Traitement analytique complet d'un cas simplifié, mais représentatif d'une trajectoire lanceur.

Simplifications faites pour passer en temps réel (guidage).

Systèmes de navigation Introduction aux techniques de navigation basées sur le filtrage de Kalman et l'hybridation de

plusieurs senseurs de navigation (équipements inertiels, équipements de radionavigation par

satellites...).

Introduction aux techniques inertielles et aux technologies employées (performances

caractéristiques, avantages - inconvénients des différentes technologies...). Notions de

radionavigation par satellites (GPS, Glonass, Galileo...) : définitions, caractéristiques et

performances des équipements...

25

Systèmes spatiaux embarqués Responsable pédagogique : M. Philippe Bénabes (philippe.benabes@supelec.fr)

Durée : 24h

Les systèmes embarqués dans les satellites, les lanceurs ou les vols habités doivent faire face à

un environnement spatial hostile. Ils intègrent à la fois du matériel et du logiciel qui se doit d'être

robuste et fiable pour garantir le succès des missions complexes pouvant dépasser les 20 ans de

fonctionnement en orbite en totale autonomie. Ces contraintes liées aux missions spatiales, y

compris les aspects de tenue aux radiations, doivent désormais être prises en compte dans de

nombreux systèmes embarqués grand public.

A l'issue de ce module, l'étudiant aura une connaissance globale des systèmes spatiaux et sera

capable d'intervenir dans la conception de systèmes embarqués fonctionnant en environnement

hostile. Il comprendra mieux comment faire face aux contraintes mécaniques, thermiques,

radiatives et électromagnétiques. L'accent sera également mis sur la variété des activités

relatives à l'embarqué et sur les interfaces avec les métiers connexes : du silicium au système

complet, en passant par le logiciel, les tests et les télécoms.

Présentation des missions et systèmes spatiaux Différents types de missions spatiales et orbites. Le marché du spatial, historique, les satellites de

télécommunication, les satellites d'observation de la Terre, les missions scientifiques, les vols

habités. Introduction des systèmes spatiaux : composition d'un lanceur (propulsion, avionique),

d'un satellite d'observation/télécom/scientifique (orbites, missions, charges utiles, instruments).

Présentation des contraintes de l'environnement spatial. Mise en perspective des cours de la

mineure qui suivront.

Le système satellite Description du système : plateforme (propulsion, contrôle, commandes) et charge utile

(instrument optique, transpondeurs). En particulier seront étudiés : l'automatique de contrôle

d'attitude et d'orbite (senseurs, algorithmes, actuateurs...), le contrôle thermique et radiations.

Différents métiers : automatique, thermique, puissance, traitement des données, radiations, RF...

Electronique numérique embarquée Spécificité des systèmes électroniques embarqués dans le spatial.

Fonctions embarquées : calculateur, interfaces, instruments compression d'image, mémoire de

masse, répéteurs

Conception de cartes électroniques. Conception de composants (ASIC/FPGA). Durcissement aux

radiations.

Logiciel de Bord Processeurs, mémoires et architectures utilisés dans le spatial.

Types de traitements bord : maintien en orbite, traitement du signal, télécommande et télémétrie,

gestion des modes de secours, reconfiguration de la mission, algorithmes divers.

26

Contraintes du traitement bord : robustesse, fiabilité, temps réel, déterminisme. Validation du

logiciel embarqué.

Présentation des technologies spatiales pour éclairer les choix d'architecture logicielle. Co-design

Hardware/Software.

Communications Bus de communication: Mil Std 1553, Ethernet déterministe, SpaceWire, CAN, SPI, liens série

Gbits, liaisons optiques, etc..

La charge utile : fréquences, composants (LNA, switches, circulateurs, OMUX, Tubes, SSPA,

antennes).

Liaisons sol-bord : Télécommande / Télémétrie. Bilan de liaison, redescente image, traitements

radar, multifaisceaux...

Gestion de l'énergie / Puissance Panneaux solaires, batterie, convertisseurs, régulation de

puissance, commandes moteurs et actuateurs. Profils de mission, gestion des éclipses. Etudes pire cas, part stress.

TD : étude d'un pire cas (méthode des extrêmes, quadratique et Monte Carlo)

Fiabilité / Validation des systèmes spatiaux Comment garantir la tenue de la mission. Tolérance aux pannes : détection, décision, correction,

reconfiguration.

Différents types de redondance (chaude / froide / tiède). Autonomie de décision, automatisation

de tâches, non propagation de panne.

Test et validation de systèmes spatiaux (tests équipement, tests satellite): vide thermique, tests en

température, tests radiation, tests mécaniques (chocs et vibrations). Description et mise en œuvre

des moyens sols.

Visite d'un site de Production ou d'intégration Visite du site Astrium Space Transportation des Mureaux : Ariane 5, ATV et principaux ateliers.

Visite du site Astrium Satellites d'Elancourt : labo de conception électronique, salles blanches de

fabrication équipements et tests. Les guides seront des intervenants de chaque métier. De jeunes

diplômés de Supélec pourront accompagner les étudiants et présenter leur profession.

Méthode pédagogique : -Des intervenants différents pour chaque module, experts dans leur domaine

-Démonstrations de quelques outils (pas besoin de salle spécifique):

oMathematica pour l’étude pire-cas

oMatlab pour du traitement de signal

oOutil d'analyse radiations

-Vidéos montrant le test des systèmes et équipements

27

Optimisation Responsable pédagogique : Sihem Tebbani (sihem.tebbani@supelec.fr)

Durée : 24h

L'optimisation possède des applications pluridisciplinaires, et permet donc de résoudre une

multitude de problématique de divers secteurs applicatifs. Elle est devenue incontournable

notamment avec la complexification des cahiers des charges et la diversification des contraintes

à respecter (techniques mais aussi humaines, réglementaire, environnementale...). Ce cours a

pour but de présenter succinctement les principaux concepts et approches de l'optimisation et

surtout de l'illustrer par divers exemples et applications de domaines très variés : aéronautique,

spatial, automobile, biomédical....

Introduction Intérêt de l'optimisation, exemples de problèmes d'optimisation, classification des problèmes

d'optimisation.

Convexité, optimisation unidimensionnelle (Fibonacci, nombre d'or).

Optimisation continue sans contraintes Conditions d'optimalité du 1er ordre et 2nd ordre, résolution exacte (gradient, Newton, quasi-

Newton, moindres carrés non linéaires), résolution approchée sans calcul de gradient.

TD 1 : Résolution de problème d'optimisation sans contraintes (identification...) par les deux

approches.

Optimisation continue avec contraintes Conditions d'optimalité de Karush Kuhn Tucker, méthode de type SQP (Successive Quadratic

Programming), méthodes par utilisation de pénalités (intérieures et extérieures), dualité

lagrangienne.

TD 2 : Résolution de problèmes d'optimisation avec contraintes par les deux approches primale et

duale.

Application à la gestion d'un réseau multi-énergie Optimisation combinatoire : notion de complexité combinatoire, algorithme du "Branch en

Bound", méthodes de plans coupants, utilisation de la programmation dynamique.

Optimisation stochastique : recuit simulé, algorithme génétique, optimisation par essaims

particulaires.

Optimisation continue : application à l'exploitation d'un système électrique.

TD 3 : Résolution d'un problème d'optimisation combinatoire et d'un problème stochastique avec

application à un réseau électrique.

Application en aéronautique Définition. Résolution par transformation en un problème contraint. Résolution par agrégation

des critères. Pareto-optimalité : définition et détermination de la surface de Pareto.

TD 4 : Résolution d’un problème multi-critère.

28

Application de l'optimisation dans le transport aérien Programmation dynamique stochastique.

Optimisation de l'affectation de flotte, problème de "Revenue Management".

Application dans le spatial : optimisation de trajectoires spatiales Technique de collocation, CVP, CP.

Transfert interplanétaire, de rentrée atmosphérique.

Application en Automatique Programmation semi-définie et LMI.

Commande par retour d'état, LQ.

Application dans le domaine biomédical SVM (Support Vecteur Machine).

Application dans le domaine.

29

Systèmes de navigation Responsable pédagogique : Dominique Lecointe (dominique.lecointe@supelec.fr)

Durée : 24h

Cette formation a pour objectif de donner une vue d'ensemble des systèmes de navigation utilisés

dans une large gamme d'applications (air, mer, terre, espace) tant civiles que militaires. La

formation constitue une introduction à la navigation inertielle, à la radionavigation et aux

techniques d'hybridation de différents moyens de navigation. Elle présente les connaissances

techniques fondamentales qui permettent de comprendre les principaux problèmes soulevés par

la conception et la réalisation des systèmes de navigation, et les solutions adoptées pour les

résoudre. Après une présentation générale de la navigation, ses objectifs, ses enjeux et des

notions de géodésie, la navigation inertielle est abordée avec une approche à la fois théorique et

pratique, illustrée avec des exemples. La radionavigation par satellite est présentée, à travers

l'exemple du GPS, en explicitant les limitations et les différentes techniques d'amélioration des

performances. Les spécificités des autres systèmes de radionavigation par satellite (GALILEO,

GLONASS,...) sont présentées. Les techniques de filtrage statistique (filtrage de Kalman)

permettant d'hybrider les informations de plusieurs moyens de navigation sont étudiées : en

particulier les techniques d'hybridation entre les systèmes inertiels et les systèmes de

radionavigation.

La formation comprend plusieurs séances de travaux dirigés qui permettent, à travers la

construction et l'utilisation de simulateurs simples de navigation, de mieux assimiler les concepts

présentés.

Introduction à la navigation Historique de la navigation. Les enjeux et objectifs, les applications.

Définitions (localisation, navigation, guidage, moyens et système de navigation,...). La

performance de la navigation. (précision, intégrité, disponibilité, continuité de service).

Notions de géodésie (ellipsoïde, géoïde, gravité,...). Les repères.

Rappels sur les outils mathématiques de la navigation.

Principes fondamentaux de la navigation : navigation à l'estime, navigation inertielle,

radionavigation.

Navigation inertielle Typologie des systèmes inertiels : du pilotage à la navigation.

Les centrales inertielles de navigation : à plateforme stabilisée, à composants liés.

Les algorithmes de navigation inertielle : mécanisation.

L'alignement des centrales inertielles.

Les senseurs inertiels :

accéléromètres : principes, erreurs, performances/technologie.

gyroscopes et gyromètres : principes, erreurs, performances/technologies.

Modèle d'erreurs de la navigation inertielle : période de Schuler, période de 24 heures, divergence

de la voie Z.

Erreurs d'intégration numérique des CI à composants liés et algorithmes de compensation.

30

Radionavigation Les systèmes de radionavigation terrestres (VOR, TACAN, DME, ILS, MLS, LORAN).

Les systèmes de radionavigation par satellites.

Présentation du système GPS et des signaux GPS. La performance du système GPS.

Mesures GPS, calcul de la position et vitesse.

Les limitations du GPS : intégrité, tenue au brouillage, masquage, précision...

Les techniques d?amélioration du GPS :

techniques différentielles de localisation GPS,

contrôle d'intégrité : algorithmes FDE,

augmentation de la constellation (LAAS, SBAS),

modernisation du GPS (nouveaux signaux),

amélioration de la tenue au brouillage par aide inertielle, par antennes actives (CRPA).

Le système Galileo, ses signaux et ses services.

Les autres systèmes de radionavigation par satellites (en service ou en développement).

Navigation hybride Enjeux de la navigation hybride.

Introduction au filtrage statistique : filtrage de Kalman.

Etude d'un exemple simple : hybridation d'une centrale inertielle avec un baro-altimètre par filtre

de Kalman étendu (EKF).

Les hybridations entre navigation inertielle et radionavigation (couplage lâche, serré, ultra serré).

Autres techniques de filtrage statistique pour la navigation hybride (UKF, filtrage particulaire..).

31

Traitement des images : méthodes et outils Responsable pédagogique : Elisabeth Lahalle, (Elisabeth.Lahalle@supelec.fr)

Durée : 24h

Le but de cet enseignement est d'exposer les méthodes d'analyse d'images choisies pour leur

pertinence ou pour la qualité des résultats obtenus. Le terme générique d'analyse d'image

désigne l'ensemble des opérations suivantes : à partir d'une image numérique, il convient

d'extraire les informations pertinentes en regard de l'application concernée, les traiter et les

interpréter. La modélisation préalable de l'information, les prétraitements permettant de garantir

une bonne qualité d'image, la détection et l'estimation d'attributs de régions ou de points d'intérêt

sont les différentes phases de traitement d'images que l'on souhaite détailler en s'appuyant sur

des concepts et des méthodes qui ont fait leur preuve. L'ingénieur doit pouvoir conceptualiser et

segmenter un problème de traitement d'images selon ces axes en ayant à l'esprit les outils

candidats et leurs conditions d'utilisation.

Généralités Définitions.

Objectifs.

Propriétés statistiques et spectrales-modèles Histogramme.

Entropie.

Fonction de corrélation.

Représentation fréquentielle.

Modèles d'images.

Attributs de région Texture.

Attributs stochastiques.

Matrice de cooccurence.

Echantillonnage-interpolation-représentations discrètes Echantillonnage.

Interpolations.

Partitions élémentaires.

Structures hiérarchiques : pyramides, ondelettes, trames.

Prétraitements Correction : compensation de fond, égalisation de caméra.

Réhaussement de contraste : LUT, Pseudo-couleurs, Modifications et égalisation d'histogramme,

filtrage linéaire.

Réduction de bruit : modèle de bruit, filtrage linéaire, filtrage d'ordre, filtrage homorphique,

filtrage par équation de diffusion.

32

Restauration d'images : filtrage de Wiener, régularisation.

Morphologie mathématique Les opérateurs de base : érosion, dilatation, ouverture et fermeture.

Les transformations morphologiques en analyse d'images binaires et à niveaux de gris.

Détection de contours Approches classiques : Sobel, DOG, LOG

Approches analytiques : Canny, Deriche

Le principe d'une détection par la technique des contours actifs.

Détection d'attributs particuliers Recherche de forme : Transformée de Hough, descripteur de Fourier.

Recherche de points singuliers.

Segmentation par régions Les méthodes sur histogramme : K-means.

Les méthodes par transformation de région : analyse des statistiques locales et croissance de

région sur critères.

33

Applications du traitement des images Responsable pédagogique : Lionel Husson (lionel.husson@supelec.fr)

Durée : 24h

L'application à l'imagerie médicale est exposée selon trois axes : de l'analyse des besoins

spécifiques des radiologues, de la caractérisation des systèmes d'imagerie, aux traitements visant

une meilleure exploitation de l'information contenue dans les images fournies par ces systèmes.

Les ultrasons, de par leur pouvoir de pénétration dans les solides et la résolution spatiale qu'ils

permettent sont une des méthodes les plus utilisées en contrôle industriel. Les images formées à

partir des signaux recueillis sont exploitées à des fins de diagnostic sur le matériel inspecté.

L'objectif de ce cours est de donner un aperçu général de la thématique 'image" dans ce contexte

applicatif. On présentera ainsi les différentes techniques d'imagerie des signaux ultrasonores

(transitoires, de fréquence centrale de l'ordre du MHz,) et les traitements les plus utilisés. On

mettra en perspective les problématiques spécifiques au domaine. On s'attachera

particulièrement aux avancées les plus récentes relatives aux acquisitions multi-éléments (mise

en oeuvre de réseaux de transducteurs pilotés indépendamment) et aux algorithmes de

reconstruction qui leur sont associés.

Les principes physiques sur lesquels s'appuie l'utilisation de données de télédétection optique

pour le suivi de la végétation sera exposé. Après une brève présentation des grandeurs physiques

utiles pour le suivi de la végétation, le cours détaillera les méthodes de détection nuageuse et de

correction atmosphérique, abordera l'estimation des variables biophysiques couramment

utilisées, avant de présenter différentes applications de l'imagerie spatiale pour le suivi de la

végétation (agriculture, forêts, cycles de l'eau et du carbone...).

Les principes fondamentaux de stéréoscopie spatiale ainsi que les méthodes d'extraction

d'information tridimensionnelle sera exposé. Les principes de base de restitution du relief sont

présentés incluant les notions d'angles stéréoscopiques, de géométrie épipolaires et de mesures

de disparités. Une description préalable de la géométrie de prise de vue est nécessaire incluant

la modélisation géométrique, l'affinage des modèles géométriques et la spatio-triangulation. Au-

delà des méthodes, quelques aspects algorithmiques seront avancés sans pour autant en faire

l'essentiel du cours.

Imagerie médicale Contexte général. Radiographies. Médecine nucléaire. IRM. Échographie. Reconstruction

tomographique.

Imagerie Ultrasonore en contrôle non destructif Contexte applicatif, le CND par ultrasons : Généralités, principes, spécificités

L'imagerie ultrasonore en CND : Ascan, Bscan, Cscan, etc.

Les traitements classiques en CND et leur application : Images segmentées, images redressées.

Les techniques multi-éléments et nouvelles imageries : Principes généraux, focalisation

synthétique...

Exemples applicatifs.

34

Principes physiques pour la télédétection optique des terres émergées ; suivi de la

végétation Le suivi de la végétation par satellite est l'un des grands domaines d'application de l'imagerie

spatiale et plusieurs systèmes satellitaires optiques lui sont presque entièrement dédiés : les

satellites LANDSAT (USA), les satellites SPOT (France, avec bien d'autres applications),

l'instrument VEGETATION sur SPOT4 et SPOT5, les satellites Alllemands RapidEye, et dans un

proche avenir les satellites Venµs (Franco-Israelien), Sentinelle 2 (ESA), EnMap (Allemand),

LDCM (USA)...

L'obtention de données de qualité et facilement utilisables n'est cependant pas immédiate, du fait

de la présence perturbatrice de l'atmosphère et des nuages, des effets directionnels (la propriétés

réflectives dépendent des angles d'observation et de la direction solaire) et topographiques, et de

la complexité et de la diversité naturelle des plantes et des sols observés.

Les futurs satellites Venµs et Sentinelle 2 ont été conçus pour minimiser les difficultés liées à

l'atmosphère et faciliter l'utilisation des données spatiales, ouvrant le champ à des applications

nouvelles, plus précises et plus opérationnelles. Le cours proposé abordera tous ces aspects.

Extraction d'nformations à partir d'images d'observation de la terre Mise en place d'une cartographie de l'occupation des sols et de son évolution

Par occupation des sols, on désigne le type de couverture (sol nu, végétation, urbain, route, eau,

etc.). Cette nomenclature de classes peut être plus ou moins détaillée en fonction du domaine

d'application et des images disponibles.

Introduction aux techniques d'extraction d'informations qui sont couramment appliquées en

observation de la Terre par télédétection

Classification et segmentation d'images, reconnaissance d'objets et détection de changements.

Ces techniques seront présentées à l'aide d'exemples sur des données réelles et de démonstrations

basées sur le logiciel libre Monteverdi développé par le CNES.

Extraction d'une information 3D à partir d'images satellitaires La mise à disposition d'images satellitaires ou aériennes haute résolution a permis le

développement de nouvelles applications dont notamment la restitution du relief par stéréoscopie.

En effet, le relief génère des déformations géométrique des images et il est donc possible, à partir

de ces déformations, de le mesurer. Pour cela, il est nécessaire de disposer d'au moins deux

images de la même zone, acquises sous des angles d'incidence différents. Ces deux images

forment un couple stéréoscopique.

La précision de la mesure du relief, appelée précision altimétrique, est fonction du facteur B/H. B

représente la distance entre les deux satellites et est appelée base. La hauteur H représente

l'altitude moyenne des satellites.

Cette précision de mesure dépend également de la précision de la modélisation géométrique des

images. Le modèle géométrique permet d'établir une correspondance entre chaque pixel de

l'image et sa localisation au sol. On rappellera au préalable ces notions de modélisation

géométrique et les différentes techniques pour établir et améliorer la précision de ces modèles.

Lorsque la modélisation géométrique est parfaitement connue il est alors possible de restituer

automatiquement un modèle numérique de surface de la scène imagée. Les méthodes classiques

de restitution 3D seront présentées ainsi que quelques astuces algorithmiques et les précisions de

restitution associées.

On terminera par la présentation de différentes applications de ces techniques.

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Méthodes de l'automatique : principes et mise en œuvre Responsable pédagogique : Gilles Duc (gilles.duc@supelec.fr)

Durée : 24h

Le cours a pour but de présenter de façon simple et synthétique un panorama des principales

méthodes de l'automatique (non limité aux méthodes de commande), en illustrant

systématiquement les développements par des études de cas (TD sous Matlab notamment).

Identification On présente des méthodes permettant de déterminer un modèle linéaire d'un processus dynamique à partir de

données expérimentales.

Filtrage de Kalman Le filtrage de Kalman permet, à partir d'une modélisation sous forme d'équations d'état, d'estimer un message utile à

partir de données bruitées.

Structure RST, commande polynomiale La structure RST est une façon très générale de représenter un correcteur linéaire au moyen de 3 polynômes. La

synthèse de ceux-ci est obtenue ici en choisissant les pôles du système en boucle fermée.

Commande prédictive A partir d'un modèle du système, la commande prédictive a pour principe d'anticiper les consignes futures,

lorsqu'elles sont connues, pour calculer la commande. Elle peut déboucher sur la synthèse d'un régulateur sous forme

RST ou sous forme d'un retour d'état.

Commande par retour d'état et observateur A partir d'un processus décrit sous forme d'équations d'état, la synthèse de la commande s'effectue en 2 étapes :

synthèse d'un retour d'état en supposant accessibles toutes les informations nécessaires ; calcul d'un observateur pour

reconstruire les informations manquantes.

Commande H-infini Cette approche se présente comme une extension de l'automatique fréquentielle étudiée en tronc commun. Elle offre

un cadre très général permettant de gérer plus efficacement les compromis performance-robustesse.

Analyse des systèmes non-linéaires Pour les systèmes non linéaires dynamiques, la théorie générale de la stabilité s'appuie essentiellement sur les travaux

de Lyapunov. On n’étudie ici que les concepts les plus couramment utilisés. Dans le cas critique où la théorie de

Lyapunov ne permet pas de conclure, on peut faire appel à la théorie de la variété centrale.

Commande floue La logique floue propose un mode de représentation plus qualitatif que quantitatif. La commande floue, basée sur ce

mode de représentation, n'utilise pas de modèle mathématique du système comme les approches classiques de

commande : elle modélise qualitativement le comportement d'un expert pour commander le système et permet donc

de capitaliser le savoir-faire humain.