Analysis of the problems associated with dynamic interaction between train, track and structure at transition zones

El gran desarrollo experimentado por la alta velocidad en los principales países de la Unión Europea, en los últimos 30 años, hace que este campo haya sido y aún sea uno de los principales referentes en lo que a investigación se refiere. Por otra parte, la aparición del concepto super − alta velocidad hace que la investigación en el campo de la ingeniería ferroviaria siga adquiriendo importancia en los principales centros de investigación de los países en los que se desea implantar este modo de transporte, o en los que habiendo sido ya implantado, se pretenda mejorar. Las premisas de eficacia, eficiencia, seguridad y confort, que este medio de transporte tiene como razón de ser pueden verse comprometidas por diversos factores. Las zonas de transición, definidas en la ingeniería ferroviaria como aquellas secciones en las que se produce un cambio en las condiciones de soporte de la vía, pueden afectar al normal comportamiento para el que fue diseñada la infraestructura, comprometiendo seriamente los estándares de eficiencia en el tiempo de viaje, confort de los pasajeros y aumentando considerablemente los costes de mantenimiento de la vía, si no se toman las medidas oportunas. En esta tesis se realiza un estudio detallado de la zonas de transición, concretamente de aquellas en las que existe una cambio en la rigidez vertical de la vía debido a la presencia de un marco hidráulico. Para realizar dicho estudio se lleva a cabo un análisis numérico de interacción entre el vehículo y la estructura, con un modelo bidimensional de elemento finitos, calibrado experimentalmente, en estado de tensión plana. En este análisis se tiene en cuenta el efecto de las irregularidades de la vía y el comportamiento mecánico de la interfaz suelo-estructura, con el objetivo de reproducir de la forma más real posible el efecto de interacción entre el vehículo, la vía y la estructura. Otros efectos como la influencia de la velocidad del tren y los asientos diferenciales, debidos a deformaciones por consolidación de los terraplenes a ambos lados el marco hidráulico, son también analizados en este trabajo. En esta tesis, los cálculos de interacción se han llevado a cabo en dos fases diferentes. En la primera, se ha considerado una interacción sencilla debida al paso de un bogie de un tren Eurostar. Los cálculos derivados de esta fase se han denominado cálculos a corto plazo. En la segunda, se ha realizado un análisis considerando múltiples pasos de bogie del tren Eurostar, conformando un análisis de degradación en el que se tiene en cuenta, en cada ciclo, la deformación de la capa de balasto. Los cálculos derivados de esta fase, son denominados en el texto como cálculos a largo plazo. Los resultados analizados muestran que la utilización de los denominados elementos de contacto es fundamental cuando se desea estudiar la influencia de asientos diferenciales, especialmente en transiciones terraplén-estructura en las que la cuña de cimentación no llega hasta la base de cimentación de la estructura. Por otra parte, tener en cuenta los asientos del terraplén, es sumamente importante, cuando se desea realizar un análisis de degradación de la vía ya que su influencia en la interacción entre el vehículo y la vía es muy elevada, especialmente para valores altos de velocidad del tren. En cuanto a la influencia de las irregularidades de la vía, en los cálculos efectuados, se revela que su importancia es muy notable, siendo su influencia muy destacada cuanto mayor sea la velocidad del tren. En este punto cabe destacar la diferencia de resultados derivada de la consideración de perfiles de irregularidades de distinta naturaleza. Los resultados provenientes de considerar perfiles artificiales son en general muy elevados, siendo estos más apropiados para realizar estudios de otra índole, como por ejemplo de seguridad al descarrilamiento. Los resultados provenientes de perfiles reales, dados por diferentes Administradores ferroviarios, presentan resultados menos elevados y más propios del problema analizar. Su influencia en la interacción dinámica entre el vehículo y la vía es muy importante, especialmente para velocidades elevadas del tren. Además el fenómeno de degradación conocido como danza de traviesas, asociado a zonas de transición, es muy susceptible a la consideración de irregularidades de la vía, tal y como se desprende de los cálculos efectuados a largo plazo. The major development experienced by high speed in the main countries of the European Union, in the last 30 years, makes railway research one of the main references in the research field. It should also be mentioned that the emergence of the concept superhigh − speed makes research in the field of Railway Engineering continues to gain importance in major research centers in the countries in which this mode of transportation is already implemented or planned to be implemented. The characteristics that this transport has as rationale such as: effectiveness, efficiency, safety and comfort, may be compromised by several factors. The transition zones are defined in railway engineering as a region in which there is an abrupt change of track stiffness. This stiffness variation can affect the normal behavior for which the infrastructure has been designed, seriously compromising efficiency standards in the travel time, passenger comfort and significantly increasing the costs of track maintenance, if appropriate measures are not taken. In this thesis a detailed study of the transition zones has been performed, particularly of those in which there is a change in vertical stiffness of the track due to the presence of a reinforced concrete culvert. To perform such a study a numerical interaction analysis between the vehicle, the track and the structure has been developed. With this purpose a two-dimensional finite element model, experimentally calibrated, in a state of plane stress, has been used. The implemented numerical models have considered the effects of track irregularities and mechanical behavior of soil-structure interface, with the objective of reproducing as accurately as possible the dynamic interaction between the vehicle the track and the structure. Other effects such as the influence of train speed and differential settlement, due to secondary consolidation of the embankments on both sides of culvert, have also been analyzed. In this work, the interaction analysis has been carried out in two different phases. In the first part a simple interaction due to the passage of a bogie of a Eurostar train has been considered. Calculations derived from this phase have been named short-term analysis. In the second part, a multi-load assessment considering an Eurostar train bogie moving along the transition zone, has been performed. The objective here is to simulate a degradation process in which vertical deformation of the ballast layer was considered. Calculations derived from this phase have been named long-term analysis. The analyzed results show that the use of so-called contact elements is essential when one wants to analyze the influence of differential settlements, especially in embankment-structure transitions in which the wedge-shaped backfill does not reach the foundation base of the structure. Moreover, considering embankment settlement is extremely important when it is desired to perform an analysis of track degradation. In these cases the influence on the interaction behaviour between the vehicle and the track is very high, especially for higher values of speed train. Regarding the influence of the track irregularities, this study has proven that the track’s dynamic response is heavily influenced by the irregularity profile and that this influence is more important for higher train velocities. It should also be noted that the difference in results derived from consideration of irregularities profiles of different nature. The results coming from artificial profiles are generally very high, these might be more appropriate in order to study other effects, such as derailment safety. Results from real profiles, given by the monitoring works of different rail Managers, are softer and they fit better to the context of this thesis. The influence of irregularity profiles on the dynamic interaction between the train and the track is very important, especially for high-speeds of the train. Furthermore, the degradation phenomenon known as hanging sleepers, associated with transition zones, is very susceptible to the consideration of track irregularities, as it can be concluded from the long-term analysis.

Diseño de una aplicación para la monitorización del perfil de movilidad de los vehículos

En los últimos años las ventas de vehículos eléctricos han crecido significativamente. Ya hay modelos en el mercado que pueden satisfacer las necesidades reales de movilidad de los posibles compradores, pero se ha detectado que existe mucha reticencia a su adquisición por desconocimiento de su autonomía real. El objetivo de este trabajo de fin de grado es diseñar una aplicación móvil que ayude a la toma de esta decisión. Para ello, se analizará el perfil de movimiento diario de los usuarios, registrando los diferentes trayectos que realicen, midiendo las velocidades y distancias recorridas, así como la localización de las paradas y su duración. Se clasificará a cada usuario en función del porcentaje de trayectos "en modo eléctrico" que pueda realizar. Adicionalmente, y partiendo de los datos registrados, se realizará una comparativa de los costes que tiene un usuario con su vehículo actual, y los que tendría con un modelo eléctrico realizando los mismos trayectos. Cuantos más viajes realice este usuario, mayor será la precisión de los resultados obtenidos por la aplicación.

Implementación de un simulador de cobertura de red

La presente memoria es el resultado de un proyecto cuya finalidad, como su título propiamente indica, es la implementación de un simulador de cobertura de red para la unidad de testing de movilidad de Indra Sistemas S.A. Dentro de las diferentes ramas del testing se encuentran las pruebas del software sobre diferentes entornos de red para comprobar como responden ante ellos. Hoy en dia podemos encontrarnos con diferentes velocidades de conexión móviles dependiendo de múltiples factores : ocupación de las células, geografía del terreno, operador que suministra el servicio, tecnología del móvil que se esté usando etc. Es ahí donde se llevaran a cabo los estudios que se realizarán en este trabajo de fin de grado, donde se podrán simular las condiciones de red para realizar pruebas de diversos tipos de software. El mundo de la simulación de condiciones de red aún no ha comenzado a desarrollarse plenamente. Existen alternativas comerciales, como las de HP o Experitest, pero están en estado temprano de desarrollo, con muchos fallos y cuyas versiones no de prueba cuestan miles de dolares. En el trabajo se estudian las diversas opciones, tanto comerciales como de desarrollo propio, indicando pros y contras en cada caso. De entre esas opciones se elegirá una y con ella se acometerán y analizarán estudios de rendimiento.

Desarrollo de una plataforma para el análisis del potencial de electrificación de flotas de taxis

En la actualidad, los vehículos de combustión interna en Estados Unidos emiten 1,7 billones de toneladas de efecto invernadero (principalmente en forma de CO2), contribuyendo así al cambio climático. Este efecto es más significativo en las grandes ciudades, donde la densidad de vehículos y de tráfico es mayor y los efectos sobre la salud son mucho más destacables. Uno de los objetivos prioritarios a nivel mundial para reducir estas emisiones a la atmósfera, consiste en promover la electrificación del transporte. En una primera etapa, la incorporación de vehículos eléctricos en el transporte público supondría una innovadora y ejemplar medida para la sociedad. Pese a sus ventajas, los vehículos eléctricos tienen que superar algunas barreras previas antes de su despliegue a gran escala: principalmente los relacionados con su poca autonomía y su elevado tiempo de recarga. El OBJETIVO de este Trabajo Fin de Grado (TFG) consiste en el desarrollo de una plataforma que permita estudiar la viabilidad técnica de la transición de los vehículos de combustión interna a vehículos eléctricos en una flota de taxis. El proyecto “cabsportting”, en San Francisco (EEUU), monitoriza a los taxis de la compañía Yellow Cabs, almacenando la información geo-temporal extraída de un GPS instalado en cada vehículo así como la ocupación del mismo en una base de datos pública. Utilizando esta base de datos, se estudiarán las distancias diarias recorridas, las distancias recorridas entre las paradas realizadas por los taxis diariamente, las velocidades medias diarias de dichos vehículos, la duración de cada una de las paradas y su localización geográfica. Con toda esta información, se evaluará el grado de electrificabilidad de esta flota de taxis, detallando qué porcentaje de vehículos pueden realizar los trayectos diarios teniendo en cuenta la autonomía de un vehículo eléctrico (VE) y sus posibles recargas intermedias. La herramienta desarrollada en este TFG puede ser utilizada por las distintas administraciones para evaluar la introducción de VEs en otro tipo de flotas urbanas tales como Correos, furgonetas de reparto, flota de recogida de basura, autobuses urbanos, etc.

Sistema de aviso en tiempo real de la velocidad óptima para minimizar consumo respetando la duración máxima del viaje

El estilo de conducción influye significativamente en el consumo de combustible de un vehículo. En este trabajo se presenta un algoritmo que permite calcular en tiempo real el perfil de velocidades necesario para cubrir un recorrido en un tiempo determinado a la vez que optimiza el consumo de combustible. El algoritmo se basa en la Programación Dinámica y tiene en cuenta la orografía del terreno, las características del sistema propulsor del vehículo y las retenciones de tráfico para informar al conductor el perfil de velocidad que debe mantener para reducir el consumo de combustible y cumplir con el objetivo de tiempo de viaje. El algoritmo evalúa periódicamente si el conductor ha seguido las indicaciones del sistema y analiza los posibles adelantos y retrasos ocurridos durante el viaje para adaptar las recomendaciones de velocidad de los tramos siguientes de recorrido. Esta supervisión continua resulta especialmente útil en caso de encontrarse el vehículo con retenciones que le obliguen a reducir la velocidad por debajo de la recomendada, de forma que el algoritmo recalcule un nuevo perfil de velocidades en cuanto desaparezca la retención manteniendo el criterio de optimizar consumo y respetando el tiempo de llegada al destino. El algoritmo se ha probado en recorridos reales logrando ahorros de combustible significativos. También garantiza el llegar a destino según el horario marcado siempre que sea posible, respetando los límites de velocidad de la carretera.

Modelado de un sistema de telemetría LIDAR CW-RM

Los sistemas LIDAR (Light Detection and Ranging) permiten medir la distancia entre dos puntos, evaluando el tiempo que tarda una señal óptica (generalmente procedente de un Láser) en hacer un recorrido de ida y vuelta entre dichos puntos. En los sistemas CW-RM (Continuous Wave - Random Modulated) esta evaluación se hace calculando la correlación entre la señal emitida (pseudoaleatoria) y la recibida (cuyo retardo depender de la distancia entre los puntos). Este sistema CW-RM tiene la ventaja sobre los TOF (Time Of Flight) de que funcionan bien ún con señales recibidas de reducida relación señal a ruido. La precisión de la medida, depende, entre otros parámetros, del tiempo de bit de la secuencia pseudoaleatoria y de la frecuencia de muestreo del sistema que capta las señales y posteriormente las correla. El objetivo del presente trabajo es realizar un sistema de gran precisión, utilizando señales pseudoaleatorias de tiempo de bit de centenas de pico segundo y frecuencia de muestreo de Gs/s, para lo que deberemos utilizar equipamiento disponible en laboratorio, as mismo deberemos seleccionar y con guiar los láseres emisores para que puedan trabajar a estas velocidades. La primera etapa del proyecto será el conocimiento del instrumental de laboratorio que vamos a utilizar en el set-up. La segunda etapa será la realización de un primer montaje en el que se conectará emisor y receptor a través de una fibra óptica de longitud conocida. Esto nos permitir á el desarrollo de algoritmos para extraer información de la medida y para una calibración del instrumental para posteriores medidas. La tercera etapa es el diseño definitivo con emisor al aire para el que tendremos que ajustar todos los elementos ópticos del sistema, de modo que se pueda detectar la luz reflejada y además se pueda reducir parte de la luz de background.

Diseño de un modelo de generación de trayectorias de aeronaves para evaluación de herramientas de control de tráfico aéreo

Este trabajo constituye la simulación de un entorno para un sistema de separación de aeronaves basada en tiempos (TBS). El trabajo se divide en dos secciones: la generación de modelos atmosféricos, y la generación y simulación de trayectoria. Se pretende así recrear la ejecución de una maniobra de aproximación final en diferentes escenarios. La sección de generación de modelos atmosféricos es responsable de construir diferentes modelos de atmósfera, en los que poder obtener valores de presión, temperatura, viento y otras variables atmosféricas, para cualquier posición y tiempo deseados. La sección de generación y simulación de trayectoria se centra en la maniobra de aproximación final a pista, construyendo una trayectoria típica de aproximación final. Después, utilizando los datos atmosféricos de la primera sección, se realiza una simulación de una aeronave realizando dicha aproximación final, obteniéndose todos los datos relativos a velocidades respecto al aire y respecto a tierra, posiciones, tiempo transcurrido, etc. Como resultado, se obtiene información sobre la ejecución de la maniobra de aproximación final. Esta información es sensible a las variaciones de las condiciones atmosféricas de la simulación.

Aplicación informática para la selección de técnicas de bioingeniería en actuaciones de restauración fluvial

Este proyecto tiene como objetivo confeccionar una herramienta informática que permita determinar, conocidos un conjunto de parámetros hidráulicos y geométricos, cuál es la técnica de bioingeniería más eficaz para la estabilización de taludes en el ámbito de la restauración de ríos. Con dicha herramienta se pretende recopilar, en una base de datos y a través de un estudio bibliográfico, las limitaciones que presentan cada técnica de bioingeniería en cuanto a velocidades del flujo, cortantes del flujo y pendientes de taludes además de otros factores como el campo de aplicación, la época de implantación o las especies vegetales recomendadas.

Variables determinantes del drag-flick en jugadoras de hockey hierba

El penalti córner es una de las situaciones de juego más importantes en el hockey hierba. Las mujeres utilizan menos el drag-flick que los hombres. Los objetivos de este estudio fueron describir los parámetros cinemáticos del drag-flick en jugadoras especialistas y hallar las variables determinantes en el rendimiento en este gesto técnico en jugadoras de hockey. Se analizaron quince lanzamientos de cinco lanzadoras con 6 cámaras del sistema de captura automática VICON registrando a 250 Hz. Para la comparación de medias se utilizó un análisis no paramétrico Kruskall Wallis de un factor (sujeto). Aquellos parámetros en los que se hallaron diferencias significativas, se compararon por pares por medio de una U de Mann Whitney. Las jugadoras 1 (22,5 ? 0,9 m/s) y 3 (22,6 ? 0,7 m/s) registraron velocidades de salida de la bola superiores (p < 0,001) a todas las demás jugadoras (19,1 ? 0,7 m/s jugadora 2; 20,5 ? 0,4 m/s jugadora 4 y 19,9 ? 0,4 m/s jugadora 5). La jugadora 1 basa su aceleración final en un doble apoyo largo, con una secuencia de velocidades y una distancia recorrida lo más amplia posible. Sin embargo, jugadora 3 basa su velocidad en la carrera previa, y en una secuencia de movimientos explosiva. Las características individuales de cada jugadora juegan un papel importante en la elección de una estrategia técnica u otra de lanzamiento.

Modelado de un servicio de M-Salud basado en dinámica de sistemas

En términos generales, m-salud puede definirse como el conjunto de sistemas de información, sensores médicos y tecnologías de comunicaciones móviles para el cuidado de la salud. La creciente disponibilidad, miniaturización, comportamiento, velocidades de transmisión de datos cada vez mayores y la esperada convergencia de tecnologías de red y comunicaciones inalámbricas en torno a los sistemas de salud móviles están acelerando el despliegue de estos sistemas y la provisión de servicios de m-salud, como por ejemplo, la teleasistencia móvil. El concepto emergente de m-salud conlleva retos importantes (estudios técnicos, análisis, modelado de la provisión de servicios, etc.) que hay que afrontar para impulsar la evolución de los sistemas y servicios de e-salud ofrecidos desde tecnologías de telecomunicación que utilizan acceso por cable y redes fijas, hacia configuraciones móviles e inalámbricas de última generación. En este trabajo se analizará primeramente el significado e implicaciones de m-salud y la situación en la que se encuentra; los retos a los que hay que enfrentarse para su implantación y provisión así como su tendencia. De los múltiples y diferentes servicios que se pueden proveer se ha identificado el servicio de Localización de Personas LoPe, lanzado por Cruz Roja en febrero de 2007, para teleasistencia móvil y que permite conocer en todo momento la ubicación de la persona que porta su dispositivo asociado. Orientado a personas con discapacidad, en situación de riesgo o dependencia por deterioro cognitivo, tiene como objetivo ayudarlas a recuperar su autonomía personal. La provisión de este servicio se modelará mediante dinámica de sistemas, ya que esta teoría se considera idónea para modelar sistemas complejos que evolucionan con el tiempo. El resultado final es un modelo que implementado a través de la herramienta Studio 8® de la compañía noruega Powersim Software AS nos ha permitido analizar y evaluar su comportamiento a lo largo del tiempo, además de permitirnos extraer conclusiones sobre el mismo y plantear futuras mejoras sobre el servicio. ABSTRACT. In general terms, m-health can be defined as “mobile computing, medical sensor, and communications technologies for health care.” The increased availability, miniaturization, performance, enhanced data rates, and the expected convergence of future wireless communication and network technologies around mobile health systems are accelerating the deployment of m-health systems and services, for instance, mobile telecare. The emerging concept of m-health involves significant challenges (technical studies, analysis, modeling of service provision, etc.) that must be tackled to drive the development of e-health services and systems offered by telecommunication technologies that use wired and fixed networks towards wireless and mobile new generation networks. Firstly, in this master’s thesis, the meaning and implications of m-health and its current situation are analyzed. This analysis also includes the challenges that must be tackled for the implementation and provision of m-health technologies and services and the m-health trends. Among the many different m-health services already delivered, the Localización de Personas LoPe service has been identified to work with it. This service, launched by Spanish Red Cross in February 2007, enables to locate people who carry the associated device. It’s aimed at people with disabilities, at risk or dependency due to cognitive impairment and helps them to recover their personal autonomy. The provision of this service will be modeled with system dynamics considering that this theory suits very well the modeling of complex systems which evolve over time. The final result is a system dynamics model of the service implemented with Studio 8® tool developed by Powersim Software AS, a Norwegian company. This model has allowed us to analyze and evaluate its behaviour over time, as well as to draw conclusions and to consider some future improvements in the service.

Determinación de la amplificación sísmica local en el Campus Sur UPM mediante la técnica de sismología de microtremores ReMi.

En el Campus Sur de la Universidad Politécnica de Madrid se ha llevado a cabo un proyecto para obtener una caracterización del subsuelo mediante ensayos ReMi, en colaboración con el departamento de Geofísica del Instituto Geográfico Nacional. La técnica ReMi (Refraction Microtremor) permite, mediante ensayos geofísicos realizados localmente sobre el terreno,obtener los parámetros físicos del mismo, que resultan de especial interés en el ámbito de la ingeniería civil. Esta técnica se caracteriza por englobarse dentro de la sísmica pasiva, muy empleada en prospección geofísica y basada en la obtención del modelo subyacente de distribución de velocidades de propagación de la onda S en función de la profundidad, con la ventaja de aprovechar el ruido sísmico ambiental como fuente de energía. Fue desarrollada en el Laboratorio Sismológico de Nevada (EEUU) por Louie (2001), con el objetivo de presentar una técnica innovadora en la obtención de las velocidades de propagación de manera experimental. Presenta ciertas ventajas, como la observación directa de la dispersión de ondas superficiales,que da un buen resultado de la velocidad de onda S, siendo un método no invasivo, de bajo coste y buena resolución, aplicable en entornos urbanos o sensibles en los que tanto otras técnicas sismológicas como otras variedades de prospección presentan dificultades. La velocidad de propagación de la onda S en los 30 primeros metros VS30, es ampliamente reconocida como un parámetro equivalente válido para caracterizar geotécnicamente el subsuelo y se halla matemáticamente relacionada con la velocidad de propagación de las ondas superficiales a observar mediante la técnica ReMi. Su observación permite el análisis espectral de los registros adquiridos, obteniéndose un modelo representado por la curva de dispersión de cada emplazamiento, de modo que mediante una inversión se obtiene el modelo de velocidad de propagación en función de la profundidad. A través de estos modelos, pueden obtenerse otros parámetros de interés sismológico. Estos resultados se representan sobre mapas isométricos para obtener una relación espacial de los mismos, particularmente conocido como zonación sísmica. De este análisis se extrae que la VS30 promedio del Campus no es baja en exceso, correspondiéndose a posteriori con los resultados de amplificación sísmica, período fundamental de resonancia del lugar y profundidad del sustrato rocoso. En última instancia se comprueba que los valores de amplificación sísmica máxima y el período al cual se produce posiblemente coincidan con los períodos fundamentales de resonancia de algunos edificios del Campus. ABSTRACT In South Campus at Polytechnic University of Madrid, a project has been carried out to obtain a proper subsoil description by applying ReMi tests, in collaboration with the Department of Geophysics of the National Geographic Institute. Through geophysical tests conducted locally, the ReMi (Refraction Microtremor) technique allows to establish the physical parameters of soil, which are of special interest in the field of civil engineering. This technique is part of passive seismic methods, often used in geophysical prospecting. It focuses in obtaining the underlying model of propagation velocity distribution of the shear wave according to depth and has the advantage of being able to use seismic ambient noise as a source of energy. It was developed in the Nevada Seismological Laboratory (USA) by Louie (2001) as an innovative technique for obtaining propagation velocities experimentally. It has several other advantages, including the direct observation of the dispersion of surface waves, which allows to reliably measure S wave velocity. This is a non-invasive, low cost and good resolution method, which can be applied in urban or sensitive environments where other prospection methods present difficulties. The propagation velocity of shear waves in the first 30 meters Vs30 is widely recognized as a valid equivalent parameter to geotechnically characterize the subsurface. It is mathematically related to surface wave's velocity of propagation, which are to observe using REMI technique. Spectral analysis of acquired data sets up a model represented by the dispersion curve at each site, so that, using an inversion process, propagation velocity model in relation to depth is obtained. Through this models, other seismologically interesting parameters can be obtained. These results are represented on isometric maps in order to obtain a spatial relationship between them, a process which is known as seismic zonation. This analysis infers that Vs30 at South Campus is not alarmingly low , corresponding with subsequent results of seismic amplification, fundamental period of resonance of soil and depth of bedrock. Ultimately, it's found that calculated values of soil's fundamental periods at which maximum seismic amplification occurs, may possibly match fundamental periods of some Campus buildings.

Methodologies for Collision Risk Computation = Metodologías para Cálculo de Riesgo de Colisión

Esta tesis aborda metodologías para el cálculo de riesgo de colisión de satélites. La minimización del riesgo de colisión se debe abordar desde dos puntos de vista distintos. Desde el punto de vista operacional, es necesario filtrar los objetos que pueden presentar un encuentro entre todos los objetos que comparten el espacio con un satélite operacional. Puesto que las órbitas, del objeto operacional y del objeto envuelto en la colisión, no se conocen perfectamente, la geometría del encuentro y el riesgo de colisión deben ser evaluados. De acuerdo con dicha geometría o riesgo, una maniobra evasiva puede ser necesaria para evitar la colisión. Dichas maniobras implican un consumo de combustible que impacta en la capacidad de mantenimiento orbital y por tanto de la visa útil del satélite. Por tanto, el combustible necesario a lo largo de la vida útil de un satélite debe ser estimado en fase de diseño de la misión para una correcta definición de su vida útil, especialmente para satélites orbitando en regímenes orbitales muy poblados. Los dos aspectos, diseño de misión y aspectos operacionales en relación con el riesgo de colisión están abordados en esta tesis y se resumen en la Figura 3. En relación con los aspectos relacionados con el diseño de misión (parte inferior de la figura), es necesario evaluar estadísticamente las características de de la población espacial y las teorías que permiten calcular el número medio de eventos encontrados por una misión y su capacidad de reducir riesgo de colisión. Estos dos aspectos definen los procedimientos más apropiados para reducir el riesgo de colisión en fase operacional. Este aspecto es abordado, comenzando por la teoría descrita en [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 e implementada por el autor de esta tesis en la herramienta ARES [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 proporcionada por ESA para la evaluación de estrategias de evitación de colisión. Esta teoría es extendida en esta tesis para considerar las características de los datos orbitales disponibles en las fases operacionales de un satélite (sección 4.3.3). Además, esta teoría se ha extendido para considerar riesgo máximo de colisión cuando la incertidumbre de las órbitas de objetos catalogados no es conocida (como se da el caso para los TLE), y en el caso de querer sólo considerar riesgo de colisión catastrófico (sección 4.3.2.3). Dichas mejoras se han incluido en la nueva versión de ARES [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 puesta a disposición a través de [SDUP,2014]R.60. En fase operacional, los catálogos que proporcionan datos orbitales de los objetos espaciales, son procesados rutinariamente, para identificar posibles encuentros que se analizan en base a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión para proponer maniobras de evasión. Actualmente existe una única fuente de datos públicos, el catálogo TLE (de sus siglas en inglés, Two Line Elements). Además, el Joint Space Operation Center (JSpOC) Americano proporciona mensajes con alertas de colisión (CSM) cuando el sistema de vigilancia americano identifica un posible encuentro. En función de los datos usados en fase operacional (TLE o CSM), la estrategia de evitación puede ser diferente debido a las características de dicha información. Es preciso conocer las principales características de los datos disponibles (respecto a la precisión de los datos orbitales) para estimar los posibles eventos de colisión encontrados por un satélite a lo largo de su vida útil. En caso de los TLE, cuya precisión orbital no es proporcionada, la información de precisión orbital derivada de un análisis estadístico se puede usar también en el proceso operacional así como en el diseño de la misión. En caso de utilizar CSM como base de las operaciones de evitación de colisiones, se conoce la precisión orbital de los dos objetos involucrados. Estas características se han analizado en detalle, evaluando estadísticamente las características de ambos tipos de datos. Una vez concluido dicho análisis, se ha analizado el impacto de utilizar TLE o CSM en las operaciones del satélite (sección 5.1). Este análisis se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. En dicho análisis, se proporcionan recomendaciones para distintas misiones (tamaño del satélite y régimen orbital) en relación con las estrategias de evitación de colisión para reducir el riesgo de colisión de manera significativa. Por ejemplo, en el caso de un satélite en órbita heliosíncrona en régimen orbital LEO, el valor típico del ACPL que se usa de manera extendida es 10-4. Este valor no es adecuado cuando los esquemas de evitación de colisión se realizan sobre datos TLE. En este caso, la capacidad de reducción de riesgo es prácticamente nula (debido a las grandes incertidumbres de los datos TLE) incluso para tiempos cortos de predicción. Para conseguir una reducción significativa del riesgo, sería necesario usar un ACPL en torno a 10-6 o inferior, produciendo unas 10 alarmas al año por satélite (considerando predicciones a un día) o 100 alarmas al año (con predicciones a tres días). Por tanto, la principal conclusión es la falta de idoneidad de los datos TLE para el cálculo de eventos de colisión. Al contrario, usando los datos CSM, debido a su mejor precisión orbital, se puede obtener una reducción significativa del riesgo con ACPL en torno a 10-4 (considerando 3 días de predicción). Incluso 5 días de predicción pueden ser considerados con ACPL en torno a 10-5. Incluso tiempos de predicción más largos se pueden usar (7 días) con reducción del 90% del riesgo y unas 5 alarmas al año (en caso de predicciones de 5 días, el número de maniobras se mantiene en unas 2 al año). La dinámica en GEO es diferente al caso LEO y hace que el crecimiento de las incertidumbres orbitales con el tiempo de propagación sea menor. Por el contrario, las incertidumbres derivadas de la determinación orbital son peores que en LEO por las diferencias en las capacidades de observación de uno y otro régimen orbital. Además, se debe considerar que los tiempos de predicción considerados para LEO pueden no ser apropiados para el caso de un satélite GEO (puesto que tiene un periodo orbital mayor). En este caso usando datos TLE, una reducción significativa del riesgo sólo se consigue con valores pequeños de ACPL, produciendo una alarma por año cuando los eventos de colisión se predicen a un día vista (tiempo muy corto para implementar maniobras de evitación de colisión).Valores más adecuados de ACPL se encuentran entre 5•10-8 y 10-7, muy por debajo de los valores usados en las operaciones actuales de la mayoría de las misiones GEO (de nuevo, no se recomienda en este régimen orbital basar las estrategias de evitación de colisión en TLE). Los datos CSM permiten una reducción de riesgo apropiada con ACPL entre 10-5 y 10-4 con tiempos de predicción cortos y medios (10-5 se recomienda para predicciones a 5 o 7 días). El número de maniobras realizadas sería una en 10 años de misión. Se debe notar que estos cálculos están realizados para un satélite de unos 2 metros de radio. En el futuro, otros sistemas de vigilancia espacial (como el programa SSA de la ESA), proporcionarán catálogos adicionales de objetos espaciales con el objetivo de reducir el riesgo de colisión de los satélites. Para definir dichos sistemas de vigilancia, es necesario identificar las prestaciones del catalogo en función de la reducción de riesgo que se pretende conseguir. Las características del catálogo que afectan principalmente a dicha capacidad son la cobertura (número de objetos incluidos en el catalogo, limitado principalmente por el tamaño mínimo de los objetos en función de las limitaciones de los sensores utilizados) y la precisión de los datos orbitales (derivada de las prestaciones de los sensores en relación con la precisión de las medidas y la capacidad de re-observación de los objetos). El resultado de dicho análisis (sección 5.2) se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. Este análisis no estaba inicialmente previsto durante la tesis, y permite mostrar como la teoría descrita en esta tesis, inicialmente definida para facilitar el diseño de misiones (parte superior de la figura 1) se ha extendido y se puede aplicar para otros propósitos como el dimensionado de un sistema de vigilancia espacial (parte inferior de la figura 1). La principal diferencia de los dos análisis se basa en considerar las capacidades de catalogación (precisión y tamaño de objetos observados) como una variable a modificar en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia), siendo fijas en el caso de un diseño de misión. En el caso de las salidas generadas en el análisis, todos los aspectos calculados en un análisis estadístico de riesgo de colisión son importantes para diseño de misión (con el objetivo de calcular la estrategia de evitación y la cantidad de combustible a utilizar), mientras que en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia, los aspectos más importantes son el número de maniobras y falsas alarmas (fiabilidad del sistema) y la capacidad de reducción de riesgo (efectividad del sistema). Adicionalmente, un sistema de vigilancia espacial debe ser caracterizado por su capacidad de evitar colisiones catastróficas (evitando así in incremento dramático de la población de basura espacial), mientras que el diseño de una misión debe considerar todo tipo de encuentros, puesto que un operador está interesado en evitar tanto las colisiones catastróficas como las letales. Del análisis de las prestaciones (tamaño de objetos a catalogar y precisión orbital) requeridas a un sistema de vigilancia espacial se concluye que ambos aspectos han de ser fijados de manera diferente para los distintos regímenes orbitales. En el caso de LEO se hace necesario observar objetos de hasta 5cm de radio, mientras que en GEO se rebaja este requisito hasta los 100 cm para cubrir las colisiones catastróficas. La razón principal para esta diferencia viene de las diferentes velocidades relativas entre los objetos en ambos regímenes orbitales. En relación con la precisión orbital, ésta ha de ser muy buena en LEO para poder reducir el número de falsas alarmas, mientras que en regímenes orbitales más altos se pueden considerar precisiones medias. En relación con los aspectos operaciones de la determinación de riesgo de colisión, existen varios algoritmos de cálculo de riesgo entre dos objetos espaciales. La Figura 2 proporciona un resumen de los casos en cuanto a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión y como se abordan en esta tesis. Normalmente se consideran objetos esféricos para simplificar el cálculo de riesgo (caso A). Este caso está ampliamente abordado en la literatura y no se analiza en detalle en esta tesis. Un caso de ejemplo se proporciona en la sección 4.2. Considerar la forma real de los objetos (caso B) permite calcular el riesgo de una manera más precisa. Un nuevo algoritmo es definido en esta tesis para calcular el riesgo de colisión cuando al menos uno de los objetos se considera complejo (sección 4.4.2). Dicho algoritmo permite calcular el riesgo de colisión para objetos formados por un conjunto de cajas, y se ha presentado en varias conferencias internacionales. Para evaluar las prestaciones de dicho algoritmo, sus resultados se han comparado con un análisis de Monte Carlo que se ha definido para considerar colisiones entre cajas de manera adecuada (sección 4.1.2.3), pues la búsqueda de colisiones simples aplicables para objetos esféricos no es aplicable a este caso. Este análisis de Monte Carlo se considera la verdad a la hora de calcular los resultados del algoritmos, dicha comparativa se presenta en la sección 4.4.4. En el caso de satélites que no se pueden considerar esféricos, el uso de un modelo de la geometría del satélite permite descartar eventos que no son colisiones reales o estimar con mayor precisión el riesgo asociado a un evento. El uso de estos algoritmos con geometrías complejas es más relevante para objetos de dimensiones grandes debido a las prestaciones de precisión orbital actuales. En el futuro, si los sistemas de vigilancia mejoran y las órbitas son conocidas con mayor precisión, la importancia de considerar la geometría real de los satélites será cada vez más relevante. La sección 5.4 presenta un ejemplo para un sistema de grandes dimensiones (satélite con un tether). Adicionalmente, si los dos objetos involucrados en la colisión tienen velocidad relativa baja (y geometría simple, Caso C en la Figura 2), la mayor parte de los algoritmos no son aplicables requiriendo implementaciones dedicadas para este caso particular. En esta tesis, uno de estos algoritmos presentado en la literatura [Patera, 2001]R.26 se ha analizado para determinar su idoneidad en distintos tipos de eventos (sección 4.5). La evaluación frete a un análisis de Monte Carlo se proporciona en la sección 4.5.2. Tras este análisis, se ha considerado adecuado para abordar las colisiones de baja velocidad. En particular, se ha concluido que el uso de algoritmos dedicados para baja velocidad son necesarios en función del tamaño del volumen de colisión proyectado en el plano de encuentro (B-plane) y del tamaño de la incertidumbre asociada al vector posición entre los dos objetos. Para incertidumbres grandes, estos algoritmos se hacen más necesarios pues la duración del intervalo en que los elipsoides de error de los dos objetos pueden intersecar es mayor. Dicho algoritmo se ha probado integrando el algoritmo de colisión para objetos con geometrías complejas. El resultado de dicho análisis muestra que este algoritmo puede ser extendido fácilmente para considerar diferentes tipos de algoritmos de cálculo de riesgo de colisión (sección 4.5.3). Ambos algoritmos, junto con el método Monte Carlo para geometrías complejas, se han implementado en la herramienta operacional de la ESA CORAM, que es utilizada para evaluar el riesgo de colisión en las actividades rutinarias de los satélites operados por ESA [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. Este hecho muestra el interés y relevancia de los algoritmos desarrollados para la mejora de las operaciones de los satélites. Dichos algoritmos han sido presentados en varias conferencias internacionales [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1. ABSTRACT This document addresses methodologies for computation of the collision risk of a satellite. Two different approaches need to be considered for collision risk minimisation. On an operational basis, it is needed to perform a sieve of possible objects approaching the satellite, among all objects sharing the space with an operational satellite. As the orbits of both, satellite and the eventual collider, are not perfectly known but only estimated, the miss-encounter geometry and the actual risk of collision shall be evaluated. In the basis of the encounter geometry or the risk, an eventual manoeuvre may be required to avoid the conjunction. Those manoeuvres will be associated to a reduction in the fuel for the mission orbit maintenance, and thus, may reduce the satellite operational lifetime. Thus, avoidance manoeuvre fuel budget shall be estimated, at mission design phase, for a better estimation of mission lifetime, especially for those satellites orbiting in very populated orbital regimes. These two aspects, mission design and operational collision risk aspects, are summarised in Figure 3, and covered along this thesis. Bottom part of the figure identifies the aspects to be consider for the mission design phase (statistical characterisation of the space object population data and theory computing the mean number of events and risk reduction capability) which will define the most appropriate collision avoidance approach at mission operational phase. This part is covered in this work by starting from the theory described in [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 and implemented by this author in ARES tool [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 provided by ESA for evaluation of collision avoidance approaches. This methodology has been now extended to account for the particular features of the available data sets in operational environment (section 4.3.3). Additionally, the formulation has been extended to allow evaluating risk computation approached when orbital uncertainty is not available (like the TLE case) and when only catastrophic collisions are subject to study (section 4.3.2.3). These improvements to the theory have been included in the new version of ESA ARES tool [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 and available through [SDUP,2014]R.60. At the operation phase, the real catalogue data will be processed on a routine basis, with adequate collision risk computation algorithms to propose conjunction avoidance manoeuvre optimised for every event. The optimisation of manoeuvres in an operational basis is not approached along this document. Currently, American Two Line Element (TLE) catalogue is the only public source of data providing orbits of objects in space to identify eventual conjunction events. Additionally, Conjunction Summary Message (CSM) is provided by Joint Space Operation Center (JSpOC) when the American system identifies a possible collision among satellites and debris. Depending on the data used for collision avoidance evaluation, the conjunction avoidance approach may be different. The main features of currently available data need to be analysed (in regards to accuracy) in order to perform estimation of eventual encounters to be found along the mission lifetime. In the case of TLE, as these data is not provided with accuracy information, operational collision avoidance may be also based on statistical accuracy information as the one used in the mission design approach. This is not the case for CSM data, which includes the state vector and orbital accuracy of the two involved objects. This aspect has been analysed in detail and is depicted in the document, evaluating in statistical way the characteristics of both data sets in regards to the main aspects related to collision avoidance. Once the analysis of data set was completed, investigations on the impact of those features in the most convenient avoidance approaches have been addressed (section 5.1). This analysis is published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. The analysis provides recommendations for different mission types (satellite size and orbital regime) in regards to the most appropriate collision avoidance approach for relevant risk reduction. The risk reduction capability is very much dependent on the accuracy of the catalogue utilized to identify eventual collisions. Approaches based on CSM data are recommended against the TLE based approach. Some approaches based on the maximum risk associated to envisaged encounters are demonstrated to report a very large number of events, which makes the approach not suitable for operational activities. Accepted Collision Probability Levels are recommended for the definition of the avoidance strategies for different mission types. For example for the case of a LEO satellite in the Sun-synchronous regime, the typically used ACPL value of 10-4 is not a suitable value for collision avoidance schemes based on TLE data. In this case the risk reduction capacity is almost null (due to the large uncertainties associated to TLE data sets, even for short time-to-event values). For significant reduction of risk when using TLE data, ACPL on the order of 10-6 (or lower) seems to be required, producing about 10 warnings per year and mission (if one-day ahead events are considered) or 100 warnings per year (for three-days ahead estimations). Thus, the main conclusion from these results is the lack of feasibility of TLE for a proper collision avoidance approach. On the contrary, for CSM data, and due to the better accuracy of the orbital information when compared with TLE, ACPL on the order of 10-4 allows to significantly reduce the risk. This is true for events estimated up to 3 days ahead. Even 5 days ahead events can be considered, but ACPL values down to 10-5 should be considered in such case. Even larger prediction times can be considered (7 days) for risk reduction about 90%, at the cost of larger number of warnings up to 5 events per year, when 5 days prediction allows to keep the manoeuvre rate in 2 manoeuvres per year. Dynamics of the GEO orbits is different to that in LEO, impacting on a lower increase of orbits uncertainty along time. On the contrary, uncertainties at short prediction times at this orbital regime are larger than those at LEO due to the differences in observation capabilities. Additionally, it has to be accounted that short prediction times feasible at LEO may not be appropriate for a GEO mission due to the orbital period being much larger at this regime. In the case of TLE data sets, significant reduction of risk is only achieved for small ACPL values, producing about a warning event per year if warnings are raised one day in advance to the event (too short for any reaction to be considered). Suitable ACPL values would lay in between 5•10-8 and 10-7, well below the normal values used in current operations for most of the GEO missions (TLE-based strategies for collision avoidance at this regime are not recommended). On the contrary, CSM data allows a good reduction of risk with ACPL in between 10-5 and 10-4 for short and medium prediction times. 10-5 is recommended for prediction times of five or seven days. The number of events raised for a suitable warning time of seven days would be about one in a 10-year mission. It must be noted, that these results are associated to a 2 m radius spacecraft, impact of the satellite size are also analysed within the thesis. In the future, other Space Situational Awareness Systems (SSA, ESA program) may provide additional catalogues of objects in space with the aim of reducing the risk. It is needed to investigate which are the required performances of those catalogues for allowing such risk reduction. The main performance aspects are coverage (objects included in the catalogue, mainly limited by a minimum object size derived from sensor performances) and the accuracy of the orbital data to accurately evaluate the conjunctions (derived from sensor performance in regards to object observation frequency and accuracy). The results of these investigations (section 5.2) are published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. This aspect was not initially foreseen as objective of the thesis, but it shows how the theory described in the thesis, initially defined for mission design in regards to avoidance manoeuvre fuel allocation (upper part of figure 1), is extended and serves for additional purposes as dimensioning a Space Surveillance and Tracking (SST) system (bottom part of figure below). The main difference between the two approaches is the consideration of the catalogue features as part of the theory which are not modified (for the satellite mission design case) instead of being an input for the analysis (in the case of the SST design). In regards to the outputs, all the features computed by the statistical conjunction analysis are of importance for mission design (with the objective of proper global avoidance strategy definition and fuel allocation), whereas for the case of SST design, the most relevant aspects are the manoeuvre and false alarm rates (defining a reliable system) and the Risk Reduction capability (driving the effectiveness of the system). In regards to the methodology for computing the risk, the SST system shall be driven by the capacity of providing the means to avoid catastrophic conjunction events (avoiding the dramatic increase of the population), whereas the satellite mission design should consider all type of encounters, as the operator is interested on avoiding both lethal and catastrophic collisions. From the analysis of the SST features (object coverage and orbital uncertainty) for a reliable system, it is concluded that those two characteristics are to be imposed differently for the different orbital regimes, as the population level is different depending on the orbit type. Coverage values range from 5 cm for very populated LEO regime up to 100 cm in the case of GEO region. The difference on this requirement derives mainly from the relative velocity of the encounters at those regimes. Regarding the orbital knowledge of the catalogues, very accurate information is required for objects in the LEO region in order to limit the number of false alarms, whereas intermediate orbital accuracy can be considered for higher orbital regimes. In regards to the operational collision avoidance approaches, several collision risk algorithms are used for evaluation of collision risk of two pair of objects. Figure 2 provides a summary of the different collision risk algorithm cases and indicates how they are covered along this document. The typical case with high relative velocity is well covered in literature for the case of spherical objects (case A), with a large number of available algorithms, that are not analysed in detailed in this work. Only a sample case is provided in section 4.2. If complex geometries are considered (Case B), a more realistic risk evaluation can be computed. New approach for the evaluation of risk in the case of complex geometries is presented in this thesis (section 4.4.2), and it has been presented in several international conferences. The developed algorithm allows evaluating the risk for complex objects formed by a set of boxes. A dedicated Monte Carlo method has also been described (section 4.1.2.3) and implemented to allow the evaluation of the actual collisions among a large number of simulation shots. This Monte Carlo runs are considered the truth for comparison of the algorithm results (section 4.4.4). For spacecrafts that cannot be considered as spheres, the consideration of the real geometry of the objects may allow to discard events which are not real conjunctions, or estimate with larger reliability the risk associated to the event. This is of particular importance for the case of large spacecrafts as the uncertainty in positions of actual catalogues does not reach small values to make a difference for the case of objects below meter size. As the tracking systems improve and the orbits of catalogued objects are known more precisely, the importance of considering actual shapes of the objects will become more relevant. The particular case of a very large system (as a tethered satellite) is analysed in section 5.4. Additionally, if the two colliding objects have low relative velocity (and simple geometries, case C in figure above), the most common collision risk algorithms fail and adequate theories need to be applied. In this document, a low relative velocity algorithm presented in the literature [Patera, 2001]R.26 is described and evaluated (section 4.5). Evaluation through comparison with Monte Carlo approach is provided in section 4.5.2. The main conclusion of this analysis is the suitability of this algorithm for the most common encounter characteristics, and thus it is selected as adequate for collision risk estimation. Its performances are evaluated in order to characterise when it can be safely used for a large variety of encounter characteristics. In particular, it is found that the need of using dedicated algorithms depend on both the size of collision volume in the B-plane and the miss-distance uncertainty. For large uncertainties, the need of such algorithms is more relevant since for small uncertainties the encounter duration where the covariance ellipsoids intersect is smaller. Additionally, its application for the case of complex satellite geometries is assessed (case D in figure above) by integrating the developed algorithm in this thesis with Patera’s formulation for low relative velocity encounters. The results of this analysis show that the algorithm can be easily extended for collision risk estimation process suitable for complex geometry objects (section 4.5.3). The two algorithms, together with the Monte Carlo method, have been implemented in the operational tool CORAM for ESA which is used for the evaluation of collision risk of ESA operated missions, [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. This fact shows the interest and relevance of the developed algorithms for improvement of satellite operations. The algorithms have been presented in several international conferences, [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Estudio del comportamiento dinámico de puentes de ferrocarril y desarrollo de métodos de cálculo simplificado

Durante los últimos años, y debido a la gran demanda del transporte por ferrocarril, se están construyendo nuevas líneas así como mejorando otras ya existentes, para poder dar cabida a trenes más veloces que hagan disminuir el tiempo del trayecto. Las estructuras para ferrocarril de alta velocidad están sometidas a acciones dinámicas elevadas, ya que al efecto clásico de la carga (aislada) móvil se viene a sumar la resonancia que se manifiesta para velocidades por encima de 220 km/h. Es por ello que, cuando se va construir una nueva estructura o reacondicionar una ya existente, sea necesario realizar un profundo análisis mediante técnicas numéricas de cálculo dinámico con modelos de elementos finitos o mediante modelos analíticos o semianalíticos. El hecho de analizar mediante técnicas complejas (como pueden ser modelos tridimensionales de elementos finitos) todas y cada una de las estructuras de una línea ya existente, puede acarrear un coste no asumible de tiempo y dinero. Así pues, mediante este trabajo, el autor ha desarrollado algoritmos computacionales para poder realizar un análisis preliminar mediante modelos más sencillos, y sesgar así el número de casos que requieren un análisis más complejo. En el presente documento se expone toda la base matemática necesaria para el desarrollo de dichos programas, como son la descomposición modal, las soluciones analíticas de la respuesta de una estructura hiperestática (puentes continuos y pórticos intraslacionales) ante cargas móviles o la interacción vehículo-estructura. Finalmente se muestran los resultados y conclusiones obtenidos de un análisis que se ha llevado a cabo con las herramientas computacionales desarrolladas, ya mencionadas anteriormente, en un total de 77 estructuras semienterradas reales situadas en la línea Madrid-Zaragoza.

Análisis de la actividad física competitiva en jugadores de fútbol de un equipo de excelencia

OBJETIVO: Esta tesis doctoral pretende analizar el rendimiento en fútbol desde un punto de vista físico de los jugadores de un equipo de excelencia (EE). Se entiende como EE a un equipo que presenta un prolongado bagaje de éxitos nacionales e internacionales a lo largo de varios años. MÉTODO: Se utilizó el sistema de registro (AMISCO) de la actividad del jugador de fútbol en competición (distancia total recorrida, distancias a distintas velocidades, y número de sprints) analizando a lo largo de seis temporadas continuada la actividad de jugadores de élite (N=2082), siendo 1051 pertenecientes al EE y 1031 a jugadores de los equipos rivales (ER). RSULTADO: El perfil de actividad (distancia total, distancia en distintas velocidades y nº de sprints) de los jugadores del EE muestran valores inferiores al de los jugadores de los ER. De igual forma ocurre en cada una de las partes del partido, el puesto específico de juego de los jugadores en las distintas temporadas analizadas y en los distintos meses de la temporada. El EE registra una mayor actividad (distancia total recorrida en el partido, distancia recorrida en velocidades altas V>17 km/h y nº de Sprints) cuando juega de local a cuando lo hace como visitante. Asimismo EE muestra demandas superiores de exigencia física en la competición europea (Champions League) frente a la Liga en la distancia total recorrida en el partido y a velocidades bajas (V<17 km/h), mientras que apenas muestra diferencias en los indicadores de exigencia física cuando se enfrenta a los equipos rivales de distinto nivel de rendimiento, exceptuando en la distancia recorrida andando (V=01-11 km/h) con diferencias significativas superiores cuando el nivel del oponente es de Máxima dificultad frente a Elevada dificultad (p<.01) o Media dificultad (p<.01). En función del estilo de juego se registran diferencias en la distancia total recorrida en el partido, en velocidades bajas (V<17 km/h) y en el nº de Sprints (V>24 km/h). Por último, el perfil de actividad del EE no se ve influenciado por el efecto de estar sometido a una alta densidad competitiva (jugar un partido entre semana). Se constata como un jugador de un EE está supeditado no sólo a las exigencias del puesto específico sino también está sujeta a las características propias del jugador al desempeñar el rol o función táctica encomendada. Esta influencia es más evidente en jugadores que ocupan puestos específicos avanzados. CONCLUSION: La presente investigación aporta la caracterización de la actividad de los jugadores de un EE frente al perfil de actividad de sus rivales, mostrando un nivel de respuesta específica y diferente, más estable frente a determinadas variables contextuales y donde la exigencia física en el puesto específico se ve condicionada por las características individuales del jugador, todos estos aspectos pueden ayudar a la hora de planificar el entrenamiento en este tipo de equipos. ABSTRACT OBJETIVE: This doctoral thesis aims to analyze the performance in football from a physical point of view on a team of excellence. METHOD: The registration system (AMISCO) activity soccer player in competition (total distance traveled distances at different speeds, and number of sprints) was used to analyze over six seasons continued activity elite players (N = 2082), with 1051 belonging to Team Excellence (EE) and 1031 players from rival teams (ER). RESULT: The competitive physical response of the US players are analyzed and compared with that of ER. The activity profile (total distance, distance at different speeds and number of sprints) of EE players shown below players ER values. The same occurs in each of the parts of the game, the specific game since players analyzed in different seasons and in different months of the season. The EE recorded increased activity (total distance traveled in the match, distance at high speeds V> 17 km / h and sprints number) when playing a local when it does on the road. EE also shows higher demands physical demands in European competition (Champions League) against the League in the total distance traveled in the party and at low speeds (V <17 km / h), while just shows differences in indicators of demand physics when the opposing teams with different levels of performance faces, except in the distance walked (V = 01-11 km / h) with significant differences when higher level Maximum opponent is facing difficulty High difficulty (p < .01) or Medium difficulty (p <.01). Depending on the style of play differences are recognized in the total distance traveled in the party, at low speeds (V <17 km / h) and the number of Sprints (V> 24 km / h). Finally, the activity profile of EE is not influenced by the effect of being subjected to a high competitive density (play a game during the week). It is found as a player on a team of Excellence is subject not only to the requirements of the specific position but is also subject to the characteristics of the player to play the role or function entrusted tactics. This influence is most evident in advanced players who occupy specific positions. CONCLUSION: This research provides the characterization of the activity of EE players versus activity profile of its rivals, showing a level of response specific and different, more stable against certain contextual variables and where the physical demands on the specific position is conditioned by the individual characteristics of the player, all these aspects can help in planning training in this type of equipment.