Avionique et ingénierie des systèmes

L’électronique de vol et la gestion des systèmes complexes : exigences et cycle en V, interfaces, fiabilité et redondance, analyse de sécurité, bus de données, capteurs de navigation, filtrage de Kalman, surveillance ADS-B, logiciel temps réel et vérification, avec six TP. Gratuit, à votre rythme, et relié à Landsat 9, aux gyroscopes de Hubble, à l’autonomie de Dragonfly et au trafic aérien de la FAA.

NASA (ISS066-E-080762, Nov. 8, 2021)NASA/Kim Shiflett (KSC-20210927-PH-KLS04_0013, Sept. 27, 2021)NASANASA/Liz Wilk (KSC-20221109-PH-LNW01_0001)

Cours › AERO 450

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À propos de ce cours

Ceci est le plan d’un cours gratuit en autonomie rédigé par Saving Planets. Ce n’est pas un cours universitaire : il ne donne aucun crédit académique et aucun établissement n’y participe.

Son périmètre suit un cours de dernière année d’un semestre en avionique et ingénierie système. Il s’inspire des thèmes et du niveau de MIT 16.842 Fundamentals of Systems Engineering (gratuit sur MIT OpenCourseWare) et du NASA Systems Engineering Handbook, que nous citons lorsqu’ils sont utiles. Ni le MIT ni la NASA n’approuvent cette page.

Ce que nous ajoutons : chaque module est relié à un travail réel avec une source publique citée (Landsat 9, Hubble, Dragonfly et le système de trafic aérien de la FAA), chaque nombre de la page est recalculé par un script de vérification avant sa mise en ligne, et chaque TP dispose d’une simulation gratuite ou d’un tableur.

Suivez-le dans l’ordre. Chaque unité comporte des objectifs, des notions clés, des équations, des exemples pas à pas, des exercices corrigés en détail, des erreurs fréquentes, des cartes mémoire et un quiz. Votre progression est enregistrée uniquement dans ce navigateur.

Comment ce cours aide à sauver la planète

Les satellites d’observation de la Terre, les engins météorologiques et un trafic aérien efficace dépendent tous d’une avionique qui fonctionne pendant des années sans intervention, et d’une ingénierie système qui fait fonctionner des milliers de pièces comme un tout.

De bonnes exigences, la redondance et les essais permettent à un satellite de continuer à mesurer forêts, glaces et océans bien au-delà de sa durée de vie nominale. Chaque module se termine par une courte section sourcée. Les valeurs qui ne proviennent pas d’une source sont indiquées comme valeurs d’exemple ou de manuel.

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Avant de commencer

Prérequis

Circuits : tension, courant, résistance et signaux numériques.
Probabilités et statistiques : règles de probabilité, loi exponentielle et variance.
Dynamique du vol et commandes : rétroaction, capteurs et actionneurs.
Introduction à la programmation : boucles, fonctions et temporisation.

Comment étudier

Partez toujours de l’exigence que sert le problème.
Dessinez les schémas-blocs et les interfaces avant tout calcul.
Gardez les probabilités entre 0 et 1 et vérifiez qu’elles y restent.
Suivez les unités : bits, octets, secondes, hertz, décibels.
Demandez-vous « que se passe-t-il si cette pièce tombe en panne ? » pour chaque bloc que vous dessinez.
Faites chaque exercice sur papier avant d’ouvrir la réponse, et refaites les quiz quelques jours plus tard.

Matériel de TP (pour les TP en laboratoire)

Un ordinateur ou une tablette pour la simulation gratuite PhET Circuit Construction Kit: DC.
Un tableur (n’importe quel tableur gratuit), ou Python.
Le NASA Systems Engineering Handbook gratuit dans un navigateur web.
Une calculatrice.

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Programme suggéré sur 15 semaines

Environ 6 à 9 heures par semaine : lecture, exercices et, les semaines de TP, le TP.

Semaine	Unité	Thèmes	Lecture
1	Le cycle de vie de l’ingénierie système et les exigences	Cycle de vie et exigences	NASA SE Handbook
2	Architecture, interfaces et intégration	Architecture et interfaces ; TP A	MIT 16.842
3	Fiabilité et redondance	Modèles de fiabilité	NASA SE Handbook
4	Fiabilité et redondance	Redondance ; TP B	NASA Hubble
5	Analyse de sécurité : AMDE et arbres de défaillance	AMDE et arbres de défaillance ; TP C	NASA SE Handbook
6	Avionique numérique et bus de données	Avionique numérique	MIT 16.842
7	Avionique numérique et bus de données	Bus de données ; TP D ; entraînement au partiel	NASA Landsat 9
8	Capteurs de navigation : centrales inertielles, GNSS, caméras et lidar	Capteurs de navigation	NASA Dragonfly
9	Fusion de capteurs et filtre de Kalman	Fusion de capteurs et filtres de Kalman ; TP E	MIT 16.842
10	Communication et surveillance : ADS-B	Communication et ADS-B	FAA ADS-B
11	Logiciel de vol temps réel	Logiciel temps réel	MIT 16.842
12	Logiciel de vol temps réel	Protection contre les pannes ; TP F	NASA Hubble
13	Intégration, vérification et opérations	Intégration et vérification	NASA SE Handbook
14	Intégration, vérification et opérations	Bancs d’essai et injection de pannes	NASA Dragonfly
15	Intégration, vérification et opérations	Révision ; entraînement à l’examen final	MIT 16.842

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Votre progression

Cochez les unités et les TP à mesure que vous les terminez, et faites les quiz. La progression et les scores sont enregistrés uniquement dans ce navigateur et ne nous sont jamais envoyés.

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Le laboratoire (Avionics and systems lab)

Le labo est la partie pratique du cours. Ici, il est gratuit et sert uniquement à s’entraîner, sans crédits.

Chaque TP se fait dans une simulation gratuite ou un tableur, il n’y a donc aucun risque électrique. N’ouvrez ni ne modifiez l’électronique d’un vrai avion, drone ou véhicule pour ce cours. Faites des pauses d’écran, tenez-vous bien droit et gardez les câbles hors des passages.

Référence de sécurité : OSHA: Walking-working surfaces (slip, trip and fall hazards)

TP A : Croissance des interfaces et diagramme N²

Semaine 2

Objectif : Construisez un diagramme N² pour une petite suite avionique et voyez comment les interfaces potentielles croissent avec le nombre de boîtiers.

I=n(n-1)/2

Interfaces potentielles

Mode opératoire

Listez les boîtiers : calculateur de vol, IMU, récepteur GNSS, radio, écran, bloc d’alimentation, données air, pilote automatique.
Tracez une grille 8 × 8 avec les boîtiers sur la diagonale et marquez les paires qui échangent des données.
Calculez n(n − 1)/2 pour n = 4, 8 et 12.
Comptez vos cellules marquées et comparez au maximum.

Tableau de données

Boîtiers n	Interfaces potentielles
4	6
8	28
12	66

Valeurs calculées.

Exemple de calcul

8 × 7/2 = 28.
12 × 11/2 = 66.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Systems Engineering Handbook

Lien avec la planète : NASA : la mise à jour de son manuel inclut l’ingénierie système basée sur les modèles. NASA Systems Engineering Handbook

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP B : Fiabilité d’unités simples, doubles et triples

Semaine 4

Objectif : Comparez dans un tableur une unité seule, une paire en parallèle et un vote 2 parmi 3 au fil du temps.

R_{2/3}=3R^2-2R^3

Vote deux parmi trois

Mode opératoire

Saisissez λ = 10⁻⁵ par heure.
Calculez R = e^(−λt) pour t = 1000, 10000 et 50000 h.
Calculez la paire en parallèle et le vote 2 parmi 3.
Trouvez où le 2 parmi 3 passe sous l’unité seule (R = 0.5).

Tableau de données

t (h)	Simple	Double	2 parmi 3
1000	0.990	0.9999	0.9997
10,000	0.905	0.991	0.975
50,000	0.607	0.845	0.657

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

R(50,000) = e^(−0.5) = 0.607.
2 parmi 3 = 3(0.607)² − 2(0.607)³ = 0.657.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Systems Engineering Handbook

Lien avec la planète : NASA : Hubble peut faire des observations scientifiques avec un seul gyroscope en état de marche. NASA Science: NASA to change how it points Hubble Space Telescope

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP C : Circuits redondants

Semaine 5

Objectif : Utilisez PhET Circuit Construction Kit: DC pour comparer des ampoules en série et en parallèle quand l’une tombe en panne.

R_p=\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}

Résistance en parallèle

Mode opératoire

Montez deux ampoules de 10 Ω en série sur une pile de 12 V, puis coupez un fil.
Remontez-les en parallèle et coupez une branche.
Mesurez le courant avant et après chaque panne.
Reliez le résultat à la fiabilité série et parallèle.

Tableau de données

Circuit	Résistance (Ω)	Courant à 12 V (A)
Parallèle, les deux bonnes	5	2.4
Parallèle, une en panne	10	1.2
Série, les deux bonnes	20	0.6

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

10 × 10/20 = 5 Ω.
12/5 = 2.4 A.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

Fonctionne dans un navigateur web.

PhET: Circuit Construction Kit: DC

Lien avec la planète : NASA : la redondance embarquée de Landsat 9 garde ses données fiables. NASA Science: Landsat 9

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP D : Résolution du CAN et volume de données

Semaine 7

Objectif : Calculez la taille du pas et le SNR pour plusieurs résolutions de convertisseur.

\Delta V=V_{FS}/2^N

Pas du CAN

Mode opératoire

Saisissez une pleine échelle de 10 V.
Calculez le pas et le SNR pour 8, 12 et 16 bits.
Calculez la durée d’un mot de 32 bits à 100 kbit/s et à 1 Mbit/s.
Discutez de la raison pour laquelle Landsat 9 utilise 14 bits.

Tableau de données

Bits	Pas (mV)	SNR (dB)
8	39.06	49.9
12	2.441	74.0
16	0.1526	98.1

Valeurs calculées.

Exemple de calcul

10/256 = 39.06 mV.
6.02 × 16 + 1.76 = 98.1 dB.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Science: Landsat 9

Lien avec la planète : NASA : Landsat 9 a une résolution radiométrique de 14 bits. NASA Science: Landsat 9

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP E : Dérive inertielle et fusion de capteurs

Semaine 9

Objectif : Modélisez la dérive de position due à un biais d’accéléromètre, puis fusionnez deux capteurs de position.

e=\tfrac12bt^2

Dérive due au biais

Mode opératoire

Saisissez b = 9.807 × 10⁻³ m/s² (1 milli-g).
Calculez l’erreur à 10, 60 et 600 s.
Fusionnez des capteurs de σ = 4 m et 3 m et calculez le gain de Kalman pour P = 16, R = 9.
Ajoutez du bruit avec une colonne de nombres aléatoires et observez le filtre.

Tableau de données

t (s)	Erreur (m)
10	0.49
60	17.65
600	1765

Valeurs d’exemple calculées.

Exemple de calcul

½ × 9.807 × 10⁻³ × 100 = 0.49 m.
σ fusionné = √5.76 = 2.4 m.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

NASA Science: Dragonfly completes first simulated flight (Oct. 23, 2026)

Lien avec la planète : NASA : l’essai de Dragonfly a utilisé des données simulées de caméra, d’IMU et de lidar. NASA Science: Dragonfly completes first simulated flight (Oct. 23, 2026)

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

TP F : Ordonnançabilité rate-monotonic

Semaine 12

Objectif : Calculez les bornes d’utilisation et testez des ensembles de tâches dans un tableur.

U\le n(2^{1/n}-1)

Borne rate-monotonic

Mode opératoire

Calculez la borne pour n = 1 à 4.
Saisissez l’ensemble de tâches du module 9 et calculez U.
Ajoutez une tâche jusqu’à ce que U dépasse la borne.
Discutez de ce qu’il faut faire quand la borne n’est pas respectée.

Tableau de données

n	Borne
1	1.000
2	0.828
3	0.780
4	0.757

Valeurs calculées.

Exemple de calcul

2(√2 − 1) = 0.828.
4(2^(1/4) − 1) = 0.757.

Sécurité

Ordinateur uniquement.

Alternative à la maison ou virtuelle

N’importe quel tableur convient.

MIT OpenCourseWare 16.842 Fundamentals of Systems Engineering (Fall 2015)

Lien avec la planète : NASA : Dragonfly doit voler de façon autonome, sans aide en temps réel depuis la Terre. NASA Science: Dragonfly completes first simulated flight (Oct. 23, 2026)

J’ai terminé ce TP (réel ou virtuel)

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Séries d’entraînement aux examens

Chronométrez-vous : environ 10 minutes par problème. Comparez ensuite avec les solutions complètes.

Série d’exercices de mi-parcours (unités 1–5)

Interfaces potentielles pour 10 boîtiers ?
Afficher la solution complète
1. 10 × 9/2.
Réponse : 45.
Paire en parallèle, λ = 2 × 10⁻⁵ /h sur 5000 h ?
Afficher la solution complète
1. R = e^(−0.1) = 0.905.
2. 1 − 0.095².
Réponse : 0.991.
IPR pour S = 6, O = 3, D = 7 ?
Afficher la solution complète
1. 6 × 3 × 7.
Réponse : 126.
Pas d’un CAN 10 bits sur 5 V ?
Afficher la solution complète
1. 5/1024.
Réponse : 4.88 mV.
SNR idéal pour 10 bits ?
Afficher la solution complète
1. 6.02 × 10 + 1.76.
Réponse : 62.0 dB.

Série d’entraînement finale (modules 1–10)

Dérive après 30 s avec un biais de 2 milli-g ?
Afficher la solution complète
1. ½ × 0.01961 × 900.
Réponse : 8.83 m.
Fusionnez deux capteurs de σ = 5 m.
Afficher la solution complète
1. σ² = 12.5.
Réponse : 3.54 m.
Gain de Kalman pour P = 4, R = 1 ?
Afficher la solution complète
1. 4/5.
Réponse : 0.8.
Horizon radio de 1000 m vers une antenne à 10 m ?
Afficher la solution complète
1. 4.12(31.62 + 3.162).
Réponse : 143.3 km.
Taux d’utilisation pour les tâches 1/5, 2/10, 3/30 ms ?
Afficher la solution complète
1. 0.2 + 0.2 + 0.1.
Réponse : 0.5.
Disponibilité, MTBF 500 h, MTTR 5 h ?
Afficher la solution complète
1. 500/505.
Réponse : 0.990.

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Fiche de formules

\text{Margin}=(C-N)/N,\ m_{alloc}=m_{est}(1+M)

I=n(n-1)/2,\ U_{bus}=B/B_{max}

R=e^{-\lambda t},\ R_p=1-\prod(1-R_i),\ R_{2/3}=3R^2-2R^3

RPN=SOD,\ P_{OR}=1-\prod(1-p_i),\ P_{AND}=\prod p_i

\Delta V=V_{FS}/2^N,\ SNR=6.02N+1.76

e=\tfrac12bt^2,\ \rho=c\Delta t

\sigma^2=\sigma_1^2\sigma_2^2/(\sigma_1^2+\sigma_2^2),\ K=P/(P+R)

d=4.12(\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2}),\ L=20\log_{10}(4\pi d/\lambda)

U=\sum C_i/T_i\le n(2^{1/n}-1)

A=MTBF/(MTBF+MTTR)

Constantes

Constante	Valeur
Vitesse de la lumière	c = 299792458 m/s (exact)
Pesanteur normale	g = 9.80665 m/s²
Fréquence ADS-B (valeur de manuel)	1090 MHz
ARINC 429 haute vitesse (valeur de manuel)	100 kbit/s
MIL-STD-1553 (valeur de manuel)	1 Mbit/s
Heures par an	8760 h

Source : NIST: CODATA value, speed of light in vacuum

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Textes et simulations gratuits

Utilisez ces textes, cours et simulations gratuits en parallèle du cours.

NASA Systems Engineering Handbook: Manuel gratuit de la NASA.
MIT OpenCourseWare 16.842 Fundamentals of Systems Engineering (Fall 2015): Cours gratuits du MIT.
FAA: Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B): Présentation de la FAA.
PhET: Circuit Construction Kit: DC: Circuits et redondance.
NASA Science: Dragonfly completes first simulated flight (Oct. 23, 2026): Article sur les essais d’avionique.
NASA Science: NASA to change how it points Hubble Space Telescope: La redondance en pratique.

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Glossaire

ADS-B: Surveillance dépendante automatique en mode diffusion.
ARINC 429: Bus de données avionique unidirectionnel.
Disponibilité: Fraction du temps où un système fonctionne.
FMEA: Analyse des modes de défaillance et de leurs effets.
Arbre de défaillance: Logique de défaillance descendante.
Matériel dans la boucle: Vrai logiciel et vrai matériel avec des entrées simulées.
IMU: Centrale inertielle.
Document de contrôle d’interface: Accord sur une interface.
Filtre de Kalman: Estimateur récursif optimal.
Lidar: Télémétrie laser.
MBSE: Ingénierie système basée sur les modèles.
MIL-STD-1553: Bus de données commande/réponse.
MTBF: Temps moyen entre défaillances.
Diagramme N²: Matrice d’interfaces.
Ordonnancement rate-monotonic: La période la plus courte obtient la priorité la plus haute.
Redondance: Unités supplémentaires de secours.
Exigence: Énoncé vérifiable d’un besoin.
Mode de survie: Configuration de protection d’un engin spatial.
Cycle en V: Décomposer, puis intégrer et vérifier.
Temporisateur chien de garde: Réinitialise un processeur bloqué.

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Grille d’autoévaluation

Aucune note ni aucun crédit ne sont attribués. Utilisez cette grille pour juger honnêtement où vous en êtes dans chaque unité.

Niveau	À quoi cela ressemble
4 · Maîtrise	Rattache chaque choix de conception à une exigence, vérifie les interfaces et les cas de panne, garde des unités et des probabilités cohérentes, et explique les compromis en termes simples.
3 · Compétent	Résout les séries d’exercices et d’examens avec de petites erreurs et vérifie les unités.
2 · En progression	Suit les exemples résolus mais confond fiabilité série et parallèle, ou portes OU et ET.
1 · Débutant	Calcule sans exigence ni schéma-bloc ; doit revoir le module.

Pondération suggérée si vous voulez une note

Partie	Poids
Exercices	20%
Travaux pratiques	25%
Série d’entraînement de mi-parcours	25%
Série d’entraînement finale	30%

Visez le niveau 3 ou mieux dans chaque unité avant de passer au cours suivant.

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Avionique et ingénierie des systèmes

À propos de ce cours

Comment ce cours aide à sauver la planète

Avant de commencer

Prérequis

Comment étudier

Matériel de TP (pour les TP en laboratoire)

Programme suggéré sur 15 semaines

Votre progression

Le cycle de vie de l’ingénierie système et les exigences

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Architecture, interfaces et intégration

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Fiabilité et redondance

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Analyse de sécurité : AMDE et arbres de défaillance

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Avionique numérique et bus de données

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Capteurs de navigation : centrales inertielles, GNSS, caméras et lidar

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas

Exercices

Idées reçues fréquentes

Cartes mémoire

Quiz d’autocontrôle

Comment cela aide à sauver la planète

Ressources d’apprentissage gratuites

Fusion de capteurs et filtre de Kalman

Objectifs d’apprentissage

Notions clés

Équations clés

Exemples résolus pas à pas