Approches multicritères pour le traitement des débris spatiaux
Multicriteria approaches for active debris removal
Résumé
Space debris are a threat for the space exploitation and exploration. Their number will continue to increase even if we stop all space activities, making collisions between debris and operational satellites more likely to happen. Debris removal proves necessary to protect active satellites. Since the number of space debris is very high, we should first deal with the most dangerous ones. In the first part of this thesis, we have developed a multicriteria approach to categorize debris depending on their removal priority degree. Debris belonging to the most urgent category will be dealt with during a space mission. The planning of such a space mission is studied in the second part of this thesis. The planning should be designed while optimizing two criteria: mission cost and mission duration. The space shuttle moves from an orbit to another, deals with the debris one by one and then returns to its initial orbit. There are several ways to perform a transfer between two orbits. Each transfer possibility corresponds to a possible compromise between cost and transfer duration. Transfer costs and durations depend on the moment the shuttle reaches and leaves each orbit. The set of feasible solutions is thus defined on a dynamic digraph. Each tour on such a graph defines a possible mission scenario. The objective is to find the set of non-dominated tours, which can be done by solving a time dependent biobjective traveling salesman problem. We have developed a branch and bound algorithm to deal with this problem. The algorithm optimization is done on two levels: - We limit the number of transfer possibilities between a pair of orbits to avoid computing costs of some transfers that will be dominated. - Fathoming rules are used to cut some branches that will not lead to efficient solutions. Experimental results illustrate the approach efficiency.
Les débris spatiaux constituent une menace pour l'exploration et l'exploitation de l'espace. Leur nombre ne cesse d'augmenter et continuera à grandir même si on arrête toute activité spatiale, augmentant ainsi la probabilité d'entrer en collision avec un satellite actif. Le retrait des débris s'avère le seul moyen de protéger ces satellites. Le nombre des débris spatiaux étant très élevé, il convient préalablement de repérer les plus dangereux. Dans la première partie de la thèse, nous avons élaboré une approche multicritère afin de classer les débris selon leur degré de priorité d'enlèvement. Les débris de la classe la plus prioritaire, feront l'objet d'une mission spatiale de retrait de débris. La planification d'une telle mission est étudiée dans la deuxième partie de la thèse. Elle doit être réalisée en minimisant deux critères : le coût de la mission ainsi que la durée nécessaire pour traiter tous les débris. La navette se déplace d'une orbite à une autre, traite les débris un par un puis retourne à son orbite initiale. Etant donné que le transfert entre deux orbites de débris peut être effectué de multiples façons, chacune correspondant à un compromis possible entre la durée et le coût de transfert, et que ces coûts et durées dépendent des moments de départ et d'arrivée sur les orbites, l'ensemble des solutions réalisables est défini sur un multigraphe dynamique orienté. Un tour dans un tel graphe définit un scénario de mission possible. Il s'agit de trouver l'ensemble des tours non dominés dans un tel multigraphe. Ceci revient à résoudre un problème de voyageur de commerce biobjectif et dépendant du temps. Nous avons développé un algorithme basé sur la technique de séparation et évaluation pour restituer l'ensemble de ces tours. L'optimisation de l'algorithme est faite sur deux niveaux : - On limite le nombre des transferts possibles entre deux orbites en évitant de calculer le coût pour les transferts qui s'avéreraient dominés. - Des règles de dominance sont utilisées pour couper certaines branches de l'arborescence de recherche qui ne mèneront pas à des solutions efficaces. Des résultats expérimentaux illustrent l'efficacité de la procédure.
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