Détection et communication intégrées pour les débris spatiaux : un nouveau cadre pour une sécurité orbitale améliorée

La prolifération des débris spatiaux en orbite terrestre basse (LEO) constitue un défi majeur pour la durabilité des missions spatiales et la sécurité des constellations de satellites. Ces débris, générés par des satellites désaffectés, des fragments de collisions ou des étapes de lancement, augmentent considérablement les risques de collisions, menaçant les opérations orbitales et favorisant un scénario de syndrome de Kessler. Les systèmes de Détection et Communication Intégrées (ISAC) émergent comme une solution prometteuse en combinant les fonctions de détection radar et de communication dans un cadre unifié, permettant ainsi une gestion efficace des ressources orbitales. Ce mémoire s’appuie sur une analyse comparative approfondie entre des signaux modulés en fréquence linéaire (LFM) et des formes d’ondes sinusoïdales classiques à la fréquence de 5 Ghz. Ces signaux ont été évalués en termes de précision pour la détection des distances et des vitesses des débris, tout en garantissant des performances de communication robustes. Les résultats démontrent que les signaux en chirp réduisent efficacement les ambiguïtés de distance-Doppler, offrant une précision accrue dans des environnements à conditions de canal variées. Bien que les signaux sinusoïdaux soient plus simples à mettre en oeuvre, ils se révèlent moins performants pour les scénarios complexes. En complément, des techniques de modulation avancées, telles que le codage spatial par décalage de phase (SSK), ont permis d’optimiser le compromis entre le taux d’erreur binaire (BER) et la précision de détection, améliorant ainsi l’efficacité spectrale et énergétique des systèmes ISAC. Par ailleurs, cette étude explore dans la revue de litterature les bénéfices des protocoles multiporteuses et une étude comparative des récentes avancées dans les systèmes ISAC, pour renforcer les capacités de détection et de communication dans des environnements à forte mobilité. Elle souligne également le rôle des techniques d’apprentissage automatique pour améliorer la précision de détection et modéliser efficacement des scénarios complexes de gestion des débris spatiaux. Les conclusions de ce mémoire offrent une flexibilité accrue dans le choix et la conception des formes d’onde, posant les bases pour des solutions ISAC évolutives. Ces systèmes permettent non seulement de relever les défis actuels liés à la gestion des débris spatiaux, mais ouvrent également la voie à des applications futures dans des domaines tels que la surveillance environnementale, les communications inter-satellites et les systèmes autonomes.

Abstract

The proliferation of space debris in low Earth orbit (LEO) poses a significant challenge to the sustainability of space missions and the safety of satellite constellations. Generated by decommissioned satellites, collision fragments, and launch vehicle stages, this debris significantly increases the risk of orbital collisions, threatening operational security and exacerbating the potential for a Kessler Syndrome scenario. Integrated Sensing and Communication (ISAC) systems offer a promising solution by unifying radar sensing and communication functionalities within a single framework, enabling more efficient management of orbital resources. This thesis presents a comparative analysis of linear frequency-modulated (LFM) waveforms at 5 Ghz and standard sinusoidal waveforms. These signals were evaluated in terms of their ability to detect the range and velocity of space debris with high precision while ensuring robust communication performance. The findings demonstrate that chirp waveforms effectively mitigate range-Doppler ambiguities, providing superior accuracy across various channel conditions. While sinusoidal waveforms are simpler to implement, they are less effective in more demanding scenarios. Advanced modulation techniques, such as Spatial Shift Keying (SSK), were employed to optimize the trade-off between bit error rate (BER) and sensing accuracy, thereby enhancing the spectral and energy efficiency of ISAC systems. Additionally, the study explores, in the literature review, the benefits of multi-carrier protocols and a comparative study of recent advances in ISAC systems to enhance detection and communication capabilities in high-mobility environments. It also highlights the role of Machine Learning techniques in improving sensing precision and effectively modeling complex scenarios for managing space debris. The conclusions of this research provide increased flexibility in waveform design and selection, laying the foundation for scalable ISAC solutions. These systems not only address current challenges in space debris management but also pave the way for future applications in areas such as environmental monitoring, inter-satellite communications, and autonomous systems.