Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.

Geometric Study of the Weak Equilibrium in a Weighted Case for a Two-Dimensional Competition Game

In this work, an improvement of the results presented by [1] Abellanas et al. (Weak Equilibrium in a Spatial Model. International Journal of Game Theory, 40(3), 449-459) is discussed. Concretely, this paper investigates an abstract game of competition between two players that want to earn the maximum number of points from a finite set of points in the plane. It is assumed that the distribution of these points is not uniform, so an appropriate weight to each position is assigned. A definition of equilibrium which is weaker than the classical one is included in order to avoid the uniqueness of the equilibrium position typical of the Nash equilibrium in these kinds of games. The existence of this approximated equilibrium in the game is analyzed by means of computational geometry techniques.

Large aperture antenna arrays with subband delay compensation for reception of wideband satellite signals

Con esta disertación se pretenden resolver algunos de los problemas encontrados actualmente en la recepción de señales de satélites bajo dos escenarios particularmente exigentes: comunicaciones de Espacio Profundo y en banda Ka. Las comunicaciones con sondas de Espacio Profundo necesitan grandes aperturas en tierra para poder incrementar la velocidad de datos. La opción de usar antennas con diámetro mayor de 35 metros tiene serios problemas, pues antenas tan grandes son caras de mantener, difíciles de apuntar, pueden tener largos tiempo de reparación y además tienen una efeciencia decreciente a medida que se utilizan bandas más altas. Soluciones basadas en agrupaciones de antenas de menor tamaño (12 ó 35 metros) son mas ecónomicas y factibles técnicamente. Las comunicaciones en banda Ka tambien pueden beneficiarse de la combinación de múltiples antennas. Las antenas de menor tamaño son más fáciles de apuntar y además tienen un campo de visión mayor. Además, las técnicas de diversidad espacial pueden ser reemplazadas por una combinación de antenas para así incrementar el margen del enlace. La combinación de antenas muy alejadas sobre grandes anchos de banda, bien por recibir una señal de banda ancha o múltiples de banda estrecha, es complicada técnicamente. En esta disertación se demostrará que el uso de conformador de haz en el dominio de la frecuencia puede ayudar a relajar los requisitos de calibración y, al mismo tiempo, proporcionar un mayor campo de visión y mayores capacidades de ecualización. Para llevar esto a cabo, el trabajo ha girado en torno a tres aspectos fundamentales. El primero es la investigación bibliográfica del trabajo existente en este campo. El segundo es el modelado matemático del proceso de combinación y el desarrollo de nuevos algoritmos de estimación de fase y retardo. Y el tercero es la propuesta de nuevas aplicaciones en las que usar estas técnicas. La investigación bibliográfica se centra principalmente en los capítulos 1, 2, 4 y 5. El capítulo 1 da una breve introducción a la teoría de combinación de antenas de gran apertura. En este capítulo, los principales campos de aplicación son descritos y además se establece la necesidad de compensar retardos en subbandas. La teoría de bancos de filtros se expone en el capítulo 2; se selecciona y simula un banco de filtros modulado uniformemente con fase lineal. Las propiedades de convergencia de varios filtros adaptativos se muestran en el capítulo 4. Y finalmente, las técnicas de estimación de retardo son estudiadas y resumidas en el capítulo 5. Desde el punto de vista matemático, las principales contribución de esta disertación han sido: • Sección 3.1.4. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en pasos discretos en frecuencia intermedia. • Sección 3.2. Modelo matemático de un conformador de haz en subbandas. • Sección 3.2.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz en subbandas con un buffer de retardo grueso. • Sección 3.2.4. Análisis de la influencia de los alias internos en la compensación en subbandas de retardo y fase. • Sección 3.2.4.2. Cálculo de la desviación de haz de un conformador de haz con compensación de retardo en subbandas. • Sección 3.2.6. Cálculo de la ganancia de relación señal a ruido de la agrupación de antenas en cada una de las subbandas. • Sección 3.3.2. Modelado de la función de transferencia de la agrupación de antenas bajo errores de estimación de retardo. • Sección 3.3.3. Modelado de los efectos de derivas de fase y retardo entre actualizaciones de las estimaciones. • Sección 3.4. Cálculo de la directividad de la agrupación de antenas con y sin compensación de retardos en subbandas. • Sección 5.2.6. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase y el retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos estacionarios. • Sección 5.5.1. Desarrollo de un algorimo para estimar la fase, el retardo y la deriva de retardo entre dos señales a partir de su descomposición de subbandas bajo entornos no estacionarios. Las aplicaciones que se pueden beneficiar de estas técnicas son descritas en el capítulo 7: • Sección 6.2. Agrupaciones de antenas para comunicaciones de Espacio Profundo con capacidad multihaz y sin requisitos de calibración geométrica o de retardo de grupo. • Sección 6.2.6. Combinación en banda ancha de antenas con separaciones de miles de kilómetros, para recepción de sondas de espacio profundo. • Secciones 6.4 and 6.3. Combinación de estaciones remotas en banda Ka en escenarios de diversidad espacial, para recepción de satélites LEO o GEO. • Sección 6.3. Recepción de satélites GEO colocados con arrays de antenas multihaz. Las publicaciones a las que ha dado lugar esta tesis son las siguientes • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. En esta pulicación se resumen los resultados de las secciones 3.2, 3.2.2, 3.3.2, los algoritmos en las secciones 5.2.6, 5.5.1 y la aplicación destacada en 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. En esta segunda se muestran los resultados de la sección 3.2.4, el algoritmo en la sección 5.2.6.1 , y la aplicación mostrada en 6.3. ABSTRACT This dissertation is an attempt to solve some of the problems found nowadays in the reception of satellite signals under two particular challenging scenarios: Deep Space and Ka-band communications. Deep Space communications require from larger apertures on ground in order to increase the data rate. The option of using single dishes with diameters larger than 35 meters has severe drawbacks. Such antennas are expensive to maintain, prone to long downtimes, difficult to point and have a degraded performance in high frequency bands. The array solution, either with 12 meter or 35 meter antennas is deemed to be the most economically and technically feasible solution. Ka-band communications can also benefit from antenna arraying technology. The smaller aperture antennas that make up the array are easier to point and have a wider field of view allowing multiple simultaneous beams. Besides, site diversity techniques can be replaced by pure combination in order to increase link margin. Combination of far away antennas over a large bandwidth, either because a wideband signal or multiple narrowband signals are received, is a demanding task. This dissertation will show that the use of frequency domain beamformers with subband delay compensation can help to ease calibration requirements and, at the same time, provide with a wider field of view and enhanced equalization capabilities. In order to do so, the work has been focused on three main aspects. The first one is the bibliographic research of previous work on this subject. The second one is the mathematical modeling of the array combination process and the development of new phase/delay estimation algorithms. And the third one is the proposal of new applications in which these techniques can be used. Bibliographic research is mainly done in chapters 1, 2, 4 and 5. Chapter 1 gives a brief introduction to previous work in the field of large aperture antenna arraying. In this chapter, the main fields of application are described and the need for subband delay compensation is established. Filter bank theory is shown in chapter 2; a linear phase uniform modulated filter bank is selected and simulated under diverse conditions. The convergence properties of several adaptive filters are shown in chapter 4. Finally, delay estimation techniques are studied and summarized in chapter 5. From a mathematical point of view, the main contributions of this dissertation have been: • Section 3.1.4. Calculation of beam squint of an IF beamformer with delay compensation at discrete time steps. • Section 3.2. Establishment of a mathematical model of a subband beamformer. • Section 3.2.2. Calculation of beam squint in a subband beamformer with a coarse delay buffer. • Section 3.2.4. Analysis of the influence of internal aliasing on phase and delay subband compensation. • Section 3.2.4.2. Calculation of beam squint of a beamformer with subband delay compensation. • Section 3.2.6. Calculation of the array SNR gain at each of the subbands. • Section 3.3.2. Modeling of the transfer function of an array subject to delay estimation errors. • Section 3.3.3. Modeling of the effects of phase and delay drifts between estimation updates. • Section 3.4. Calculation of array directivity with and without subband delay compensation. • Section 5.2.6. Development of an algorithm to estimate relative delay and phase between two signals from their subband decomposition in stationary environments. • Section 5.5.1. Development of an algorithm to estimate relative delay rate, delay and phase between two signals from their subband decomposition in non stationary environments. The applications that can benefit from these techniques are described in chapter 7: • Section 6.2. Arrays of antennas for Deep Space communications with multibeam capacity and without geometric or group delay calibration requirement. • Section 6.2.6. Wideband antenna arraying over long distances, in the range of thousands of kilometers, for reception of Deep Space probes. • Sections 6.4 y 6.3. Combination of remote stations in Ka-band site diversity scenarios for reception of LEO or GEO satellites. • Section 6.3. Reception of GEO collocated satellites with multibeam antenna arrays. The publications that have been made from the work in this dissertation are • A. Torre. Wideband antenna arraying over long distances. Interplanetary Progress Report, 42-194:1–18, 2013. This article shows the results in sections 3.2, 3.2.2, 3.3.2, the algorithms in sections 5.2.6, 5.5.1 and the application in section 6.2.6. • A. Torre. Reception of wideband signals from geostationary collocated satellites with antenna arrays. IET Communications, Vol. 8, Issue 13:2229–2237, September, 2014. This second article shows among others the results in section 3.2.4, the algorithm in section 5.2.6.1 , and the application in section 6.3.

Decodificar Sejima‐SANAA: Estrategias formales y estructurales en su trayectoria de proyecto, 1987 a 2010; de la Casa Platform I al Centro Rolex

La Tesis decodifica una selección de veinte proyectos representativos de Sejima-SANAA, desde su primer proyecto construido, la Casa Platform I, 1987, hasta el Centro Rolex, 2010, año en que Sejima y Nishizawa –SANAA- reciben el Premio Pritzker. De los veinte proyectos once son de Sejima: Casa Platform I, Casa Platform II, Residencia de Mujeres, Casa N, Pachinco Parlor I, Villa en el Bosque, Comisaría en Chofu, Casa Y, Apartamentos en Gifu, Edificio de equipamientos en la Expo Tokio 96, Pachinko Parlor III; y nueve de SANAA: edificio Multimedia en Oogaki, estudio de viviendas metropolitanas,Park Café en Koga, De Kunstlinie en Almere, Museo de Kanazawa, Pabellón de Toledo, Escuela de Zollverein, Casa Flor y Centro Rolex. La decodificación lee la obra de Sejima-SANAA a la inversa para ‘reconstruir’, en un ejercicio de simulación ficticia, una versión verosímil y coherente de los que podrían haber sido sus procesos proyectuales; podrían, porque los verdaderos son imposibles de dilucidar. Los que se proponen se pretenden exclusivamente verosímiles y plausibles. Con ello se pretende contribuir al entendimiento y comprensión de la arquitectura de Sejima-SANAA y, tangencialmente y en menor medida, a la teoría sobre el ejercicio proyectual arquitectónico. La decodificación se centra en dos aspectos concretos: la forma arquitectónica y el papel proyectual de la estructura portante. Ambas decodificaciones se extienden inevitablemente a otros aspectos relacionados, como, por ejemplo, la naturaleza del espacio arquitectónico. El procedimiento de investigación partió de una descripción objetiva y pormenorizada de los significantes formales y estructurales de cada proyecto desde su propia configuración física y geométrica. Esa descripción ‘objetiva’, llevada al límite, permitió que afloraran estructuras conceptuales y lógicas subyacentes de cada proyecto. Unida a interpretación crítica, –mediante su relación y confrontación con otras arquitecturas y otros modos de hacer conocidos- permitió trazar la reconstitución ficticia que persigue la decodificación. Ese trabajo se materializó en veinte ensayos críticos y se acompañó de un conjunto de otros textos sobre temas sugeridos o reclamados por el proceso de investigación. El conjunto de todos esos textos constituye el material de trabajo de la tesis. A partir de ahí, con una visión de conjunto, la tesis identifica una trayectoria de estrategias formales y una trayectoria de estrategias proyectuales relacionadas con lo portante. Juntas conforman el grueso de la tesis que se expone en los cuatro capítulos centrales. Los precede un capítulo introductorio que expone el recorrido biográfico de K. Sejima y la trayectoria profesional de Sejima-SANAA; y los siguen de unos textos transversales sobre forma, lugar y espacio. La tesis termina con una síntesis de sus conclusiones. Las estrategias formales se exponen en tres capítulos. El primero, ‘Primeras estrategias formales’ agrupa proyectos de la primera etapa de Sejima. El segundo capítulo está dedicado enteramente al proyecto de los apartamentos en Gifu, 1994-98, que según esta tesis, supuso un importante punto de inflexión en la trayectoria de Sejima; tanto el tercer capítulo lleva por nombre ‘Estrategias formales después de Gifu’ y recoge los proyectos que le siguieron. Las ‘Primeras estrategias formales’, varias y balbucientes, se mueven en general en torno a dos modos o procedimientos de composición, bien conocidos: por partes y sistemático. Éste última inicia en la trayectoria de SANAA un aspecto que va a ser relevante de aquí en adelante: entender el proyecto como propuesta genérica en la que, más allá de su realidad específica y tangible, subyace una lógica, en cada proyecto la suya, extrapolable a otros lugares, otras dimensiones, incluso otros programas: cada proyecto podría dar lugar a otros proyectos de la misma familia. La composición sistemática incluye, entre otros, la Casa Platform II, basada en la definición de un elemento constructivo, y la formulación de unas leyes de repetición y de posibles modos de agrupación. Incluye también la Residencia de Mujeres Saishunkan Seiyaku- proyecto que lanzó a Sejima a la fama internacional-, que también sería un sistema, pero distinto: basado en la repetición regular de una serie de elementos a lo largo de una directriz generando un hipotético contenedor infinito del que el proyecto sería tan solo un fragmento. La estrategia formal del edificio de Gifu ahondaría en la voluntad genérica del proyecto, adoptando la lógica de un juego. El proyecto sería una partida del juego, pero no la única posible, podrían jugarse otras. Esta hipótesis del juego está verificada en ‘El Juego de Gifu’ que - tras formular el juego identificando sus elementos (tablero y fichas), reglas y procedimientos- juega una partida: la que habría dado lugar al edificio proyectado por Sejima. Gifu extiende el concepto de ‘repetir’ un elemento constructivo a la de repetir un patrón espacial, lo que conlleva: la desvinculación entre forma y función; y un nuevo concepto de flexibilidad, que deja de referirse al uso flexible del edificio construido para pertenecer al momento proyectual en que se asignan funciones específicas a los patrones espaciales. Esta tesis propone que esa asignación de funciones sería uno de los últimos eslabones del proceso proyectual, algo opuesto a la premisa moderna de “la forma sigue a la función”. Las estrategias formales ‘Después de Gifu’ tienen también lógicas de juego, pero cada estrategia responde a un juego distinto, como dejan entrever sus nombres: ‘Tableros de Juego’, que con distintos grados de madurez estaría presente en varios proyectos; ‘Elementos de Catálogo’ en el Museo de Kanazawa; ‘Forma apriorística’, en la Casa Flor y ‘Repetición de una situación topológica’, en el Centro Rolex. Todas esas estrategias, o juegos, mantienen aspectos comunes relativos a la forma arquitectónica, precisamente los aspectos Gifu: la repetición aplicada al patrón espacial, y lo que conlleva: desvinculación entre forma y función y la nueva acepción de flexibilidad. ‘Tableros de Juego’ consiste en configurar cada sistema de proyecto (estructura, cerramientos, particiones y mobiliario) eligiendo elementos ofrecidos por una geometría de base, en cada proyecto la suya, en general reticular: intersecciones, líneas, módulos. Cada sistema se configura, en principio, sin relación de subordinación con cualquiera de los demás; cuando esa subordinación es ineludible, el juego determina que el sistema portante no puede materializar el orden geométrico de base, lo que se traduce en que no ejerce el papel dominante. Por lo tanto, ‘Tableros de Juego’ transgrede la lógica de la planta libre moderna: la estructura ni refleja ni revela el orden de base y los sistemas no respetan las relaciones de subordinación jerárquica y encadenada que aquella determinaba. Esta estrategia de ‘Tableros de juego’ deriva en soluciones y proyectos formales muy distintos: los proyectos de Oogaki y Park Café, que presentarían ‘Tableros de Juego’ incipientes; De Kunstlinie en Almere y la Escuela de Zollverein, que presentarían una consolidación de esta estrategia; y el Pabellón de Vidrio de Toledo que resultaría de la subversión de la estrategia. Este último proyecto, además, lleva el concepto de repetición más allá del elemento constructivo y del patrón espacial (que en este caso tiene forma de burbuja) parar acabar afectando a la propia experiencia del espectador, que esté donde esté, siempre tiene la sensación de estar en el mismo sitio. Esta tesis denomina a ese espacio repetitivo como ‘espacio mantra’. La estrategia ‘Elementos de Catálogo’ se ilustra con el Museo de Kanazawa. Su lógica parte de la definición de una serie de elementos, muy pocos, y se basa en el ingente número de posibles combinaciones entre sí. Gifu habría anunciado el catalogo de elementos en la caracterización de sus patrones espaciales. La estrategia ‘Forma Apriorística’ se ilustra con la Casa Flor. La decisión sobre el tipo de forma -en este caso la de una ameba- estaría al principio del proceso proyectual, lo que no quiere decir que sea una forma arbitraria: la forma de la ameba lleva implícita la repetición de un patrón espacial (el seudópodo) y una apoteosis del concepto de repetición que, alcanzando la experiencia espacial, da lugar a un espacio repetitivo o mantra. El ‘Espacio Mantra’ es uno de los leitmotivs, que se emplean como argumento en la última estrategia formal que la Tesis decodifica: el Centro Rolex. Con respecto a la estructura portante, la tesis identifica y traza una trayectoria de cinco estrategias proyectuales: preeminencia, ocultación, disolución, desaparición y desvirtuación. --Ocultación, reduce el papel dominante de la estructura. Al principio es una ocultación literal, casi un tapado de los elementos estructurales, como en Gifu; luego se hace más sofisticada, como la ocultación por camuflaje o la paradójica ocultación por multiplicación de Park Café. --La disolución merma la condición dominante de la estructura que en lugar de configurarse como sistema unitario u homogéneo se fragmenta en varios subsistemas. --La desaparición se refiere a estructuras que desaparecen como sistemas propios y autónomos, a proyectos en los que la función portante es desempeñada por otros sistemas como el de las particiones. La desaparición culmina con la Casa Flor, cuyo perímetro ejerce la función portante y además es transparente, está desmaterializado: la estructura se ha hecho invisible, ha desaparecido. --La desvirtuación se refiere a estructuras que sí se presentan como sistemas propios y autónomos, pero dejan de tener un papel preeminente por cuanto no materializan el orden de base: esta estrategia es correlativa a la estrategia formal ‘Tableros de juego’. Las conclusiones de la tesis están en la propia organización de la tesis: la identificación de las estrategias. Aún así, y como epílogos, se exponen seis. Las dos primeras subrayan el hilo conductor del trabajo realizado, que radica en la cualidad genérica de las estrategias proyectuales en Sejima-SANAA. Las cuatro siguientes dilucidan hasta qué punto hay, en sus proyectos, rasgos o significantes formales y/o estructurales que sean a su vez señales características del panorama arquitectónico contemporáneo; y plantean la pregunta estrella: ¿hay algunos que, apuntando más lejos, supongan aportaciones originales? --Como aportaciones originales la tesis destaca: la identificación entre el ideal genérico y proyecto concreto; y la propuesta de un espacio nuevo, híbrido, una suerte de estadio intermedio entre el espacio subdividido y compartimentado de la tradición y el continuo moderno. --Como síntomas de contemporaneidad se destacan: respecto de la forma, la traslación de la especificidad formal de la parte al conjunto; y respecto de la estructura, la tendencia contemporánea a hacer estructuras cada vez más ligeras y livianas, que tienden a lo evanescente. Ésta última, la tendencia al evanescencia estructural, podría tener la condición de aportación original, no en vano la desaparición de la estructura lleva la evanescencia hacia sus últimas consecuencias, y en el caso de estructuras con presencia física, hace que dejen de ser el sistema ordenador orquestador del proceso proyectual. ABSTRACT The Thesis decodes a selection of twenty representative Sejima-SANAA projects, from the first one built, the Platform I House in 1987, to the Rolex Center in 2010, year in which Sejima and Nishizawa –SANAA- received the Pritzker Prize. Eleven projects are from Sejima: Platform I, Platform II, Saishunkan Seiyaku Women´s Dormitory, N- House, Pachinco Parlor I, Villa in the Forest, Policy Box at Chofu Station, Y-House, Gifu Kitigata Apartment, World City Expo ´96 Facilities Building, Pachinko Parlor III; and nine from SANAA: Multimedia Workshop in Ogaki, Metropolitan Housing Studies, Park Café in Koga, De Kunstlinie in Almere, Kanazawa Museum, Glass Pavilion at the Toledo Museum of Art, Zollverein School, Flower House and the Rolex Center. This decoding reads the Sejima-SANAA’s projects inversely aiming ‘to reconstruct', in a fictitious simulation exercise, a likely and coherent version of what her/their projectual processes ‘could’ have been; ‘could’, because the true ones are impossible to explain. The ones proposed here pretend only to be likely and reasonable. By so doing the Thesis tries to contribute to the understanding and comprehension of Sejima-SANAA architecture and, tangentially and to a lesser extent, to the theory of architectural projects exercise. Decoding centers in two specific aspects: architectural form, and projectual role of the load bearing structure. Both decodes inevitably extend to other related aspects such as, for example, the nature of space. The research procedure begun by carrying out an objective and detailed description of the formal and structural signifiers of each project; looking at them from their physical and geometric configuration. Taken to the limit, the ‘objective’ descriptions allowed the conceptual structures and underlying logics of each project to arise. Together with critical interpretations, which related and confronted them with other architectures and well-known projectual working ways, it became possible to outline and trace the intended fictitious reconstruction decodes. The descriptive analytical work materialized in twenty critical essays, and was accompanied by a set of other essays on subjects suggested or demanded by the research process. Together, all those texts were the material basis on which thesis work was built. Looking at the whole and taking it from there, the thesis identifies two related projectual trajectories: a trajectory of formal strategies and a trajectory of strategies having to do with structural systems and components. Both, together, constitute the bulk of the thesis, as presented in the four central chapters. Preceding them there is an introductory chapter outlining the biographical path of Kazuyo Sejima and the professional trajectory of Sejima-SANAA. And following them there is another one containing transversal texts on form, place and space. The thesis ends with a synthesis on conclusions. The formal strategies are displayed in three chapters. The first one, `Early formal strategies' groups the first phase projects by Sejima. The second one, ‘Formal strategies of Gifu’s paradigm’, is entirely dedicated to the Gifu apartments project, 1994-98, which according to this thesis meant an important inflexion point in Sejima’s trajectory; so much so that the third chapter is named `Formal strategies after Gifu' and gathers the selected projects that followed it. The ‘Early formal strategies', diverse and tentative, move in general around two well-known projectual composition methods ‘composition by parts’, and ‘systematic composition’. This last one –systematic composition- begins and leads in SANAA’s trajectory an aspect which will remain relevant from here on: the understanding of the project as if it were an specific instance of a generic proposal in which -below and beyond the project tangible reality- there lays a logic that could be applicable at other places, for other dimensions, even with other programs; from each project, other projects of the same family could rise. The set of projects using this systematic composition method include, among others, the ‘Platform II House, based on the definition of a constructive element and of rules having to do with its replicas and their possible groupings. It also includes the Saishunkan Seiyaku Women Residence -project that launched Sejima to international fame- that could also be seen as a system, but of a different kind: a system based on the regular repetition of a series of elements along a directive line, thus generating a hypothetical infinite container of which the project would be only a fragment. The formal strategy of the Gifu apartments building would push further towards the generic project concept, adopting the logic of a game. The project would be a bout, a round, one play…, but not the only possible one; others could be played. The thesis confirms this game hypothesis -after having formulated `The Game of Gifu' and identified its elements (board, chips, rules and procedures)- playing the one play from which the building as projected by Sejima would have raised. Gifu extends the concept of ‘repeating a constructive element’ to that of ‘repeating a space pattern element’, and to what it implies: the decoupling of form and function, leading to a new concept of flexibility that no longer refers to the flexible use of the constructed building but to the projectual moment at which the specific functions are assigned to the space patterns. This thesis proposes that this allocation of functions would be one of the last steps in projectual process, quite opposite from the modern premise: “form follows function”. The Formal strategies after Gifu do also have a game logic; but, as their names reveal, each strategy responds to a different game: ‘Game Boards’, present with different maturity levels in several projects; ‘Elements from a Catalogue’, in the Kanazawa Museum; ‘Aprioristic Form’, in the Flower House; and ‘Repetition of a topologic situation', in the Rolex Center. All of these strategies, or games, maintain common aspects having to do with architectural form; aspects that were already present, precisely, in Gifu: repetition of space pattern units, uncoupling of form and function, and a new meaning of flexibility. -`Game Boards’ consists on setting up a base geometry -each project his, generally reticular- and give form to each project system (structure, closings, partitions and furniture) by choosing elements -intersections, lines, modules- it offers. Each project system is formed, in principle, with no subordinated relation with any of the others; when subordination is unavoidable, the game rules determine that the load bearing structural system may not be the one to materialize the base geometric order, which means that it does not exert the dominant role. Therefore, ‘Game Boards' transgresses the Modern logic, because the structure neither reflects nor reveals the base order, and because the systems do not respect any of the hierarchic and chained subordination relations that the ‘free plan’ called for. ‘Game Boards' leads to quite different solutions and formal projects: the Oogaki and Park Coffee projects show incipient Game Boards; The Almere Kunstlinie and the Zollverein School present consolidations of this strategy; and the Toledo’s Glass Pavilion results from subverting the strategy. In addition, the Toledo project takes the repetition concept beyond that of using a constructive element and a space pattern element (in this case with a bubble form) to end up affecting the personal experience of the spectator, who, wherever he is, feels to always be in the same place. This thesis denominates that repetitive space as ‘Mantra space '. -‘Elements from a Catalogue’ is shown with the Kanazawa Museum. Its logic starts from the definition of a series of elements, very few, and it is based on the huge number of possible combinations among them. The ‘Elements from a Catalogue’ approach was announced in the Gifu project when characterizing its space pattern elements. -Aprioristic Form' is illustrated by the Flower House. The decision on the type of form -in this case the form of an amoeba- would be the beginning of the projectual process, but it does not mean it is arbitrary form: the amoeba form implies repeating a space pattern (pseudopodia) and an apotheosis of the repetition concept: embracing the space experience, it gives rise to a repetitive or mantra space. ‘Mantra Space’ is one of leitmotivs used as an argument in the last formal strategy Thesis decodes: the Rolex Center. With respect to the ‘Projectual strategies of the load bearing structure’, the thesis finds and traces a trajectory of five projectual strategies: ‘preeminence, concealment, dissolution, disappearance and desvirtuación’. --Preeminence is present in Sejima’s first works in which she resorts to structures which have a dominant preeminent role in the project in so far as they impersonate the greater scale and/or materialize the base geometric order. In later works that preeminence will be inverted, the projects aiming towards its opposite: lighter, slighter, smaller structures. -Concealment reduces the dominant role of the structure. At the outset concealment is literal, almost hiding the structural elements, as in Gifu; soon it will become more sophisticated, such as the concealment by camouflage or the paradoxical concealment by multiplication in the Koga Park Café. -Dissolution diminishes the dominant condition of the structure: instead of its’ being configured as unitary or homogenous system is fragmented in several subsystems. -Disappearance talks about structures that fade away as self referred and independent systems; projects in which the load bearing function is carried out by other systems such as the set of partitions. Disappearance reaches its zenith at the Flower House, whose perimeter functions structurally being, in addition, transparent, immaterial: its structure has become invisible, has disappeared. -Desvirtuación talks about structures that do appear like independent self-systems, but which that do not longer have a preeminent paper, inasmuch as they do not materialize the base order. This strategy correlates with the ‘Game Boards’ formal strategy. The thesis conclusions are show by the organization of the thesis itself: its identification of the different strategies. Even so, as epilogues, the thesis exposes six ‘Conclusions’. The first two emphasize the leading thread of the work done, rooted in the generic quality of the Sejima-SANAA projectual strategies. The following four expound to what extent their projects show features, or formal and/or structural signifiers, which also are or can be read as characteristic signals of the contemporary architectonic panorama, and raise the key question: aiming farther, may some of them be taken as original contributions? -As original contributions the conclusions highlight: the identification between the generic ideal and the concrete project; and the proposal of a new, hybrid space, kind of an intermediate stage between the traditional subdivided compartmented space and the continuous modern. -As symptoms of contemporaneousness: in relation to the form it highlights the transferring of the formal specificity from the part to the whole; and in relation to the structure, it underscore the contemporary tendency towards lighter and growingly slimmer structures, tending to the evanescent. This last one, the tendency towards structural evanescence, could have condition of being an original contribution, not in vain it carries the structural disappearance towards its last consequences; and in the case of structures with physical presence, it makes them to cease being the ordering system orchestrating the projectual process.

On sonic anemometer measurement theory

In this paper a model for the measuring process of sonic anemometers (ultrasound pulse based) is presented. The differential equations that describe the travel of ultrasound pulses are solved in the general case of non-steady, non-uniform atmospheric flow field. The concepts of instantaneous line-average and travelling pulse-referenced average are established and employed to explain and calculate the differences between the measured turbulent speed (travelling pulse-referenced average) and the line-averaged one. The limit k1l=1 established by Kaimal in 1968, as the maximum value which permits the neglect of the influence of the sonic measuring process on the measurement of turbulent components is reviewed here. Three particular measurement cases are analysed: A non-steady, uniform flow speed field, a steady, non-uniform flow speed field and finally an atmospheric flow speed field. In the first case, for a harmonic time-dependent flow field, Mach number, M (flow speed to sound speed ratio) and time delay between pulses have revealed themselves to be important parameters in the behaviour of sonic anemometers, within the range of operation. The second case demonstrates how the spatial non-uniformity of the flow speed field leads to an influence of the finite transit time of the pulses (M≠0) even in the absence of non-steady behaviour of the wind speed. In the last case, a model of the influence of the sonic anemometer processes on the measurement of wind speed spectral characteristics is presented. The new solution is compared to the line-averaging models existing in the literature. Mach number and time delay significantly distort the measurement in the normal operational range. Classical line averaging solutions are recovered when Mach number and time delay between pulses go to zero in the new proposed model. The results obtained from the mathematical model have been applied to the calculation of errors in different configurations of practical interest, such as an anemometer located on a meteorological mast and the transfer function of a sensor in an atmospheric wind. The expressions obtained can be also applied to determine the quality requirements of the flow in a wind tunnel used for ultrasonic anemometer calibrations.

Waves, analytical signals, and some postulates of quantum theory

In this paper we apply the formalism of the analytical signal theory to the Schrödinger wavefunction. Making use exclusively of the wave-particle duality and the rinciple of relativistic covariance, we actually derive the form of the quantum energy and momentum operators for a single nonrelativistic particle. Without using any more quantum postulates, and employing the formalism of the characteristic function, we also derive the quantum-mechanical prescription for the measurement probability in such cases.