Design and Test of a High QoS Radio Network for CBTC Systems in Subway Tunnels

Communications Based Train Control Systems require high quality radio data communications for train signaling and control. Actually most of these systems use 2.4GHz band with proprietary radio transceivers and leaky feeder as distribution system. All them demand a high QoS radio network to improve the efficiency of railway networks. We present narrow band, broad band and data correlated measurements taken in Madrid underground with a transmission system at 2.4 GHz in a test network of 2 km length in subway tunnels. The architecture proposed has a strong overlap in between cells to improve reliability and QoS. The radio planning of the network is carefully described and modeled with narrow band and broadband measurements and statistics. The result is a network with 99.7% of packets transmitted correctly and average propagation delay of 20ms. These results fulfill the specifications QoS of CBTC systems.

Effect of substrate-target distance and sputtering pressure in the synthesis of AlN thin films

In this work, we analyze the influence of the processing pressure and the substrate–target distance on the synthesis by reactive sputtering of c-axis oriented polycrystalline aluminum nitride thin films deposited on Si(100) wafers. The crystalline quality of AlN has been characterized by high-resolution X-ray diffraction (HR-XRD). The films exhibited a very high degree of c-axis orientation especially when a low process pressure was used. After growth, residual stress measurements obtained indirectly from radius of curvature measurements of the wafer prior and after deposition are also provided. Two different techniques are used to determine the curvature—an optically levered laser beam and a method based on X-ray diffraction. There is a transition from compressive to tensile stress at a processing pressure around 2 mTorr. The transition occurs at different pressures for thin films of different thickness. The degree of c-axis orientation was not affected by the target–substrate distance as it was varied in between 30 and 70 mm.

Discourses and values underpin public debate on fracking in Spain: a case study at the crossroad

In the EU context extraction of shale and oil gas by hydraulic fracturing (fracking) differs from country to country in terms of legislation and implementation. While fossil fuel extraction using this technology is currently taking place in the UK, Germany and France have adopted respective moratoria. In between is the Spanish case, where hydrocarbon extraction projects through fracking have to undergo mandatory and routine environmental assessment in accordance with the last changes to environmental regulations. Nowadays Spain is at the crossroad with respect to the future of this technology. We presume a social conflictt in our country since the position and strategy of the involved and confronted social actors -national, regional and local authorities, energy companies, scientists, NGO and other social organization- are going to play key and likely divergent roles in its industrial implementation and public acceptance. In order to improve knowledge on how to address these controverted situations from the own engineering context, the affiliated units from the Higher Technical School of Mines and Energy Engineering at UPM have been working on a transversal program to teach values and ethics. Over the past seven years, this pioneering experience has shown the usefulness of applying a consequentialist ethics, based on a case-by-case approach and costs-benefits analysis both for action and inaction. As a result of this initiative a theoretical concept has arisen and crystallized in this field: it is named Inter-ethics. This theoretical perspective can be very helpful in complex situations, with multi-stakeholders and plurality of interests, when ethical management requires the interaction between the respective ethics of each group; professional ethics of a single group is not enough. Under this inter-ethics theoretical framework and applying content analysis techniques, this paper explores the articulation of the discourse in favour and against fracking technology and its underlying values as manifested in the Spanish traditional mass media and emerging social media such as Youtube. Results show that Spanish public discourse on fracking technology includes the costs-benefits analysis to communicate how natural resources from local communities may be affected by these facilities due to environmental, health and economic consequences. Furthermore, this technology is represented as a solution to the "demand of energy" according to the optimistic discourse while, from a pessimistic view, fracking is often framed as a source "environmental problems" and even natural disasters as possible earthquakes. In this latter case, this negative representation could have been influenced by the closure of a macro project to store injected natural gas in the Mediterranean Sea using the old facilities of an oil exploitation in Amposta (Proyecto Cástor). The closure of this project was due to the occurrence of earthquakes whose intensity was higher than the originally expected by the experts in the assessment stage of the project.

Imaging systems application of multichannel configurations

While multichannel configurations are well established for non-imaging applications, they have not been used yet for imaging applications. In this paper we present for the first time some of multichannel designs for imaging systems. The multichannel comprises discontinuous optical sections which are called channels. The phase-space representation of the bundle of rays going from the object to the image is discontinuous between channels. This phase-space ray-bundle flow is divided in as many paths as channels there are but it is a single wavefront both at the source and the target. Typically, these multichannel systems are at least formed by three optical surfaces: two of them have discontinuities (either in the shape or in the shape derivative) while the last is a smooth one. Optical surfaces discontinuities cause at the phase space the wave front split in separate paths. The number of discontinuities is the same in the two first surfaces: Each channel is defined by the smooth surfaces in between discontinuities, so the surfaces forming each separate channel are all smooth. Aplanatic multichannel designs are also shown and used to explain the design procedure.

On-Chip Thermal Monitoring: Design, Placement and Interconnection of Temperature Sensors

La temperatura es una preocupación que juega un papel protagonista en el diseño de circuitos integrados modernos. El importante aumento de las densidades de potencia que conllevan las últimas generaciones tecnológicas ha producido la aparición de gradientes térmicos y puntos calientes durante el funcionamiento normal de los chips. La temperatura tiene un impacto negativo en varios parámetros del circuito integrado como el retardo de las puertas, los gastos de disipación de calor, la fiabilidad, el consumo de energía, etc. Con el fin de luchar contra estos efectos nocivos, la técnicas de gestión dinámica de la temperatura (DTM) adaptan el comportamiento del chip en función en la información que proporciona un sistema de monitorización que mide en tiempo de ejecución la información térmica de la superficie del dado. El campo de la monitorización de la temperatura en el chip ha llamado la atención de la comunidad científica en los últimos años y es el objeto de estudio de esta tesis. Esta tesis aborda la temática de control de la temperatura en el chip desde diferentes perspectivas y niveles, ofreciendo soluciones a algunos de los temas más importantes. Los niveles físico y circuital se cubren con el diseño y la caracterización de dos nuevos sensores de temperatura especialmente diseñados para los propósitos de las técnicas DTM. El primer sensor está basado en un mecanismo que obtiene un pulso de anchura variable dependiente de la relación de las corrientes de fuga con la temperatura. De manera resumida, se carga un nodo del circuito y posteriormente se deja flotando de tal manera que se descarga a través de las corrientes de fugas de un transistor; el tiempo de descarga del nodo es la anchura del pulso. Dado que la anchura del pulso muestra una dependencia exponencial con la temperatura, la conversión a una palabra digital se realiza por medio de un contador logarítmico que realiza tanto la conversión tiempo a digital como la linealización de la salida. La estructura resultante de esta combinación de elementos se implementa en una tecnología de 0,35 _m. El sensor ocupa un área muy reducida, 10.250 nm2, y consume muy poca energía, 1.05-65.5nW a 5 muestras/s, estas cifras superaron todos los trabajos previos en el momento en que se publicó por primera vez y en el momento de la publicación de esta tesis, superan a todas las implementaciones anteriores fabricadas en el mismo nodo tecnológico. En cuanto a la precisión, el sensor ofrece una buena linealidad, incluso sin calibrar; se obtiene un error 3_ de 1,97oC, adecuado para tratar con las aplicaciones de DTM. Como se ha explicado, el sensor es completamente compatible con los procesos de fabricación CMOS, este hecho, junto con sus valores reducidos de área y consumo, lo hacen especialmente adecuado para la integración en un sistema de monitorización de DTM con un conjunto de monitores empotrados distribuidos a través del chip. Las crecientes incertidumbres de proceso asociadas a los últimos nodos tecnológicos comprometen las características de linealidad de nuestra primera propuesta de sensor. Con el objetivo de superar estos problemas, proponemos una nueva técnica para obtener la temperatura. La nueva técnica también está basada en las dependencias térmicas de las corrientes de fuga que se utilizan para descargar un nodo flotante. La novedad es que ahora la medida viene dada por el cociente de dos medidas diferentes, en una de las cuales se altera una característica del transistor de descarga |la tensión de puerta. Este cociente resulta ser muy robusto frente a variaciones de proceso y, además, la linealidad obtenida cumple ampliamente los requisitos impuestos por las políticas DTM |error 3_ de 1,17oC considerando variaciones del proceso y calibrando en dos puntos. La implementación de la parte sensora de esta nueva técnica implica varias consideraciones de diseño, tales como la generación de una referencia de tensión independiente de variaciones de proceso, que se analizan en profundidad en la tesis. Para la conversión tiempo-a-digital, se emplea la misma estructura de digitalización que en el primer sensor. Para la implementación física de la parte de digitalización, se ha construido una biblioteca de células estándar completamente nueva orientada a la reducción de área y consumo. El sensor resultante de la unión de todos los bloques se caracteriza por una energía por muestra ultra baja (48-640 pJ) y un área diminuta de 0,0016 mm2, esta cifra mejora todos los trabajos previos. Para probar esta afirmación, se realiza una comparación exhaustiva con más de 40 propuestas de sensores en la literatura científica. Subiendo el nivel de abstracción al sistema, la tercera contribución se centra en el modelado de un sistema de monitorización que consiste de un conjunto de sensores distribuidos por la superficie del chip. Todos los trabajos anteriores de la literatura tienen como objetivo maximizar la precisión del sistema con el mínimo número de monitores. Como novedad, en nuestra propuesta se introducen nuevos parámetros de calidad aparte del número de sensores, también se considera el consumo de energía, la frecuencia de muestreo, los costes de interconexión y la posibilidad de elegir diferentes tipos de monitores. El modelo se introduce en un algoritmo de recocido simulado que recibe la información térmica de un sistema, sus propiedades físicas, limitaciones de área, potencia e interconexión y una colección de tipos de monitor; el algoritmo proporciona el tipo seleccionado de monitor, el número de monitores, su posición y la velocidad de muestreo _optima. Para probar la validez del algoritmo, se presentan varios casos de estudio para el procesador Alpha 21364 considerando distintas restricciones. En comparación con otros trabajos previos en la literatura, el modelo que aquí se presenta es el más completo. Finalmente, la última contribución se dirige al nivel de red, partiendo de un conjunto de monitores de temperatura de posiciones conocidas, nos concentramos en resolver el problema de la conexión de los sensores de una forma eficiente en área y consumo. Nuestra primera propuesta en este campo es la introducción de un nuevo nivel en la jerarquía de interconexión, el nivel de trillado (o threshing en inglés), entre los monitores y los buses tradicionales de periféricos. En este nuevo nivel se aplica selectividad de datos para reducir la cantidad de información que se envía al controlador central. La idea detrás de este nuevo nivel es que en este tipo de redes la mayoría de los datos es inútil, porque desde el punto de vista del controlador sólo una pequeña cantidad de datos |normalmente sólo los valores extremos| es de interés. Para cubrir el nuevo nivel, proponemos una red de monitorización mono-conexión que se basa en un esquema de señalización en el dominio de tiempo. Este esquema reduce significativamente tanto la actividad de conmutación sobre la conexión como el consumo de energía de la red. Otra ventaja de este esquema es que los datos de los monitores llegan directamente ordenados al controlador. Si este tipo de señalización se aplica a sensores que realizan conversión tiempo-a-digital, se puede obtener compartición de recursos de digitalización tanto en tiempo como en espacio, lo que supone un importante ahorro de área y consumo. Finalmente, se presentan dos prototipos de sistemas de monitorización completos que de manera significativa superan la características de trabajos anteriores en términos de área y, especialmente, consumo de energía. Abstract Temperature is a first class design concern in modern integrated circuits. The important increase in power densities associated to recent technology evolutions has lead to the apparition of thermal gradients and hot spots during run time operation. Temperature impacts several circuit parameters such as speed, cooling budgets, reliability, power consumption, etc. In order to fight against these negative effects, dynamic thermal management (DTM) techniques adapt the behavior of the chip relying on the information of a monitoring system that provides run-time thermal information of the die surface. The field of on-chip temperature monitoring has drawn the attention of the scientific community in the recent years and is the object of study of this thesis. This thesis approaches the matter of on-chip temperature monitoring from different perspectives and levels, providing solutions to some of the most important issues. The physical and circuital levels are covered with the design and characterization of two novel temperature sensors specially tailored for DTM purposes. The first sensor is based upon a mechanism that obtains a pulse with a varying width based on the variations of the leakage currents on the temperature. In a nutshell, a circuit node is charged and subsequently left floating so that it discharges away through the subthreshold currents of a transistor; the time the node takes to discharge is the width of the pulse. Since the width of the pulse displays an exponential dependence on the temperature, the conversion into a digital word is realized by means of a logarithmic counter that performs both the timeto- digital conversion and the linearization of the output. The structure resulting from this combination of elements is implemented in a 0.35_m technology and is characterized by very reduced area, 10250 nm2, and power consumption, 1.05-65.5 nW at 5 samples/s, these figures outperformed all previous works by the time it was first published and still, by the time of the publication of this thesis, they outnumber all previous implementations in the same technology node. Concerning the accuracy, the sensor exhibits good linearity, even without calibration it displays a 3_ error of 1.97oC, appropriate to deal with DTM applications. As explained, the sensor is completely compatible with standard CMOS processes, this fact, along with its tiny area and power overhead, makes it specially suitable for the integration in a DTM monitoring system with a collection of on-chip monitors distributed across the chip. The exacerbated process fluctuations carried along with recent technology nodes jeop-ardize the linearity characteristics of the first sensor. In order to overcome these problems, a new temperature inferring technique is proposed. In this case, we also rely on the thermal dependencies of leakage currents that are used to discharge a floating node, but now, the result comes from the ratio of two different measures, in one of which we alter a characteristic of the discharging transistor |the gate voltage. This ratio proves to be very robust against process variations and displays a more than suficient linearity on the temperature |1.17oC 3_ error considering process variations and performing two-point calibration. The implementation of the sensing part based on this new technique implies several issues, such as the generation of process variations independent voltage reference, that are analyzed in depth in the thesis. In order to perform the time-to-digital conversion, we employ the same digitization structure the former sensor used. A completely new standard cell library targeting low area and power overhead is built from scratch to implement the digitization part. Putting all the pieces together, we achieve a complete sensor system that is characterized by ultra low energy per conversion of 48-640pJ and area of 0.0016mm2, this figure outperforms all previous works. To prove this statement, we perform a thorough comparison with over 40 works from the scientific literature. Moving up to the system level, the third contribution is centered on the modeling of a monitoring system consisting of set of thermal sensors distributed across the chip. All previous works from the literature target maximizing the accuracy of the system with the minimum number of monitors. In contrast, we introduce new metrics of quality apart form just the number of sensors; we consider the power consumption, the sampling frequency, the possibility to consider different types of monitors and the interconnection costs. The model is introduced in a simulated annealing algorithm that receives the thermal information of a system, its physical properties, area, power and interconnection constraints and a collection of monitor types; the algorithm yields the selected type of monitor, the number of monitors, their position and the optimum sampling rate. We test the algorithm with the Alpha 21364 processor under several constraint configurations to prove its validity. When compared to other previous works in the literature, the modeling presented here is the most complete. Finally, the last contribution targets the networking level, given an allocated set of temperature monitors, we focused on solving the problem of connecting them in an efficient way from the area and power perspectives. Our first proposal in this area is the introduction of a new interconnection hierarchy level, the threshing level, in between the monitors and the traditional peripheral buses that applies data selectivity to reduce the amount of information that is sent to the central controller. The idea behind this new level is that in this kind of networks most data are useless because from the controller viewpoint just a small amount of data |normally extreme values| is of interest. To cover the new interconnection level, we propose a single-wire monitoring network based on a time-domain signaling scheme that significantly reduces both the switching activity over the wire and the power consumption of the network. This scheme codes the information in the time domain and allows a straightforward obtention of an ordered list of values from the maximum to the minimum. If the scheme is applied to monitors that employ TDC, digitization resource sharing is achieved, producing an important saving in area and power consumption. Two prototypes of complete monitoring systems are presented, they significantly overcome previous works in terms of area and, specially, power consumption.

Mixing effect on volume growth of Fagus sylvatica and Pinus sylvestris is modulated by stand density

Despite the increasing relevance of mixed stands due to their potential benefits; little information is available with regard to the effect of mixtures on yield in forest systems. Hence, it is necessary to study inter-specific relationships, and the resulting yield in mixed stands, which may vary with stand development, site or stand density, etc. In Spain, the province of Navarra is considered one of the biodiversity reservoirs; however, mixed forests occupy only a small area, probably as a consequence of management plans, in which there is an excessive focus on the productivity aspect, favoring the presence of pure stands of the most marketable species. The aim of this paper is to study how growth efficiencies of beech (Fagus sylvatica) and pine (Pinus sylvestris) are modified by the admixture of the other species and to determine whether stand density modifies interspecific relationships and to what extent. Two models were fitted from Spanish National Forest Inventory data, for P. sylvestris and F. sylvatica respectively, which relate the growth efficiency of the species, i.e. the volume increment of the species divided by the species proportion by area, with dominant height, quadratic mean diameter, stocking degree, and the species proportions by area of each species. Growth efficiency of pine increased with the admixture of beech, decreasing this positive effect when stocking degree increased. However, the positive effect of pine admixture on beech growth was greater at higher stocking degrees. Growth efficiency of beech was also dependent on stand dominant height, resulting in a net negative mixing effect when stand dominant heights and stocking degrees were simultaneously low. There is a relatively large range of species proportions and stocking degrees which results in transgressive overyielding: higher volume increments in mixed stands than that of the most productive pure pine stands. We concluded that stocking degree is a key factor in between-species interactions, being the effects of mixing not always greater at higher stand densities, but it depends on species composition.

Reliability and reproductibility of skin temperature of overweight subjects by an infrared thermograpy software designed for human beings

The technical improvement and new applications of Infrared Thermography (IRT) with healthy subjects should be accompanied by results about the reproducibility of IRT measurements in different popula-tion groups. In addition, there is a remarkable necessity of a larger supply on software to analyze IRT images of human beings. Therefore, the objectives of this study were: firstly, to investigate the reproducibility of skin temperature (Tsk) on overweight and obese subjects using IRT in different Regions of Interest (ROI), moments and side-to-side differences (?T); and secondly, to check the reliability of a new software called Termotracker®, specialized on the analysis of IRT images of human beings. Methods: 22 overweight and obese males (11) and females (11) (age: 41,51±7,76 years; height: 1,65±0,09 m; weight: 82,41±11,81 Kg; BMI: 30,17±2,58 kg/m²) were assessed in two consecutive thermograms (5 seconds in-between) by the same observer, using an infrared camera (FLIR T335, Sweden) to get 4 IRT images from the whole body. 11 ROI were selected using Termotracker® to analyze its reproducibility and reliability through Intra-class Correlation Coefficient (ICC) and Coefficient of Variation (CV) values. Results: The reproducibility of the side-to-side differences (?T) between two consecutive thermograms was very high in all ROIs (Mean ICC = 0,989), and excellent between two computers (Mean ICC = 0,998). The re-liability of the software was very high in all the ROIs (Mean ICC = 0,999). Intraexaminer reliability analysing the same subjects in two consecutive thermograms was also very high (Mean ICC = 0,997). CV values of the different ROIs were around 2%. Conclusions: Skin temperature on overweight subjects had an excellent reproducibility for consecutive ther-mograms. The reproducibility of thermal asymmetries (?T) was also good but it had the influence of several factors that should be further investigated. Termotracker® reached excellent reliability results and it is a relia-ble and objective software to analyse IRT images of humans beings.

El imaginario en la génesis del proyecto arquitectónico: La construcción de la realidad a través del mito, la utopía y la cibercultura

El término imaginario, nombra el principio y el tema central de una investigación del mundo arquitectónico, necesaria para entender las condiciones alrededor de un proceso proyectual íntimo, cargado de significaciones ideológicas y simbólicas. En diferentes interpretaciones, el inconsciente colectivo y personal, científico o social, aparece en el origen de cada pensamiento y comportamiento humano, constituyendo un universo cerrado y caótico, donde todas las ideas están en constante tensión y contradicción. Por esta razón existen nociones y construcciones lógicas y coherentes que estructuran el marco de la verisimilitud y por tanto el régimen de la realidad, mediante la verdad y la verificación. Para el proyecto arquitectónico estas configuraciones se expresan en la situación del espacio, el tiempo y el cuerpo, como elementos básicos de jerarquización de la habitabilidad y de la cohabitabilidad humana. Esta tesis pretende acotar y definir un ámbito de procesos verosímiles instalados dentro del imaginario mediante el patrimonio intangible del pensamiento mítico o utópico, donde no solamente se crean envolventes del pensamiento, de iconografía o de sociedades, sino de donde también se derivan modelos rígidos y excluyentes, desde teorías basadas en la heteronormatividad y la segregación según el sexo, el género, la clase y la capacidad dentro de la diversidad funcional. La experiencia del espacio arquitectónico ha sido tradicionalmente descrita mediante palabras e imágenes: el lógos y el símbolo han sido los grandes intermediadores entre los sujetos y el habitar. Los ámbitos cotidiano y urbano se han regido por modelos y normas absolutas aplicadas universalmente y el mundo arquitectónico se ha visto estancado en la polaridad dual, entre lo público y lo privado, el dentro y el fuera, el movimiento y el reposo, el hombre y la mujer. Si el espacio-tiempo, el cuerpo y sus interpretaciones son la base para los modelos absolutistas, universalistas y perfeccionistas que han dominado el pensamiento occidental y elaborado la noción de lo “normal” en su totalidad, restando complejidad y diversidad, en la era hipermoderna ya no tiene sentido hablar en términos que no contemplen la superposición y la contradicción de la multiplicidad caótica en igualdad y en equilibrio instable. La realidad se ha visto reinventada a través de situaciones intermedias, los lugares inbetween en los espacios, tiempos, identidades y nociones presupuestas, donde se ha tergiversado el orden establecido, afectando al imaginario. La cotidianidad ha superado la arquitectura y el tiempo ha aniquilado el espacio. La conectividad, las redes y el libre acceso a la información – allá donde los haya – componen el marco que ha permitido a los sujetos subalternos emerger y empezar a consolidarse en el discurso teórico y práctico. Nuevos referentes están apareciendo en el hiper-espacio/tiempo aumentado, infringiendo todas aquellas leyes e interpretaciones impuestas para controlar los hábitos, las conductas y las personas. La casa, la ciudad y la metrópolis al vaciarse de contenidos, han dejado de cumplir funciones morales y simbólicas. Los no-lugares, los no-space, los no-time (Amann, 2011) son las condiciones radicalmente fenoménicas que reemplazan la realidad de lo vivido y activan de forma directa a los sentidos; son lugares que excitan el cuerpo como termótopos (Sloterdijk, 2002), que impulsan el crecimiento de la economía y en gran medida la multinormatividad. Sin duda alguna, aquí y ahora se requiere un nuevo modo de emplear la palabra, la imagen y la tecnología, dentro de una temporalidad efímera y eterna simultáneamente. ABSTRACT The term imaginary marks the beginning and the main topic of this research into the architectural world, presented as the necessary condition to understand the design process in its intimate layers, loaded with ideological and symbolic meanings. Through different interpretations, the unconscious, personal and collective, scientific or social, is found in the origin of every human thought and behaviour, constituting a closed chaotic universe, where all ideas are in constant tension and contradiction. This is why there are logical and coherent notions or discursive constructions which organise the context of verisimilitude and therefore the regime of reality through truth and its verification. For the architectural project, these specific configurations are associated with space, time and body as basic elements of management and hierarchization of human habitability and co-habitability. This thesis aims to demarcate and define a field of verisimilar processes installed in the imaginary, through the intangible heritage of mythical or utopian thinking, where not only enclosures of thought, iconography or utopian ideals are created, but from where rigid and exclusive models are derived as well, from theories based on heteronormativity and segregation by sex, gender, class and functional diversity. The experience of the architectural space has been described traditionally through words and images: the language and the symbol have been intermediating between the user and his habitat. Everyday life and urban interactions have been governed by absolute, universally applied, models or standards, therefore the architectural world has been stalled in a constant dual polarity between the public and the private, the inside and the outside, the movement and the repose, the man and the woman. Certainly, if the space-time notion, along with the theorization of the body, are the basis for absolutist, universalist and perfectionist models that have dominated western thought and developed the concept of “normal” in its totality, deducting all complexity and diversity, in the hypermodern era it makes no longer sense to speak in terms that ignore the overlap and contradiction of the chaotic multiplicity that characterises equality and unstable balance. Reality has been reinvented through intermediate situations, the in-between spaces, time, identities, or other presupposed notions. The order of truth has been distorted, affecting and transforming the contemporary imaginary. Everyday practices have surpassed the architectural design and time has annihilated space. Connectivity, networks, free access to information -wherever it exists-, compose the framework that has allowed subaltern subjectivity to emerge and begin to consolidate into main theoretical and practical discourses. New models are appearing in the augmented hyper-space/ time, transgressing any rule and interpretation imposed to control habits, behaviours and people. The house, the city and the metropolis are empty of content; they no longer fulfil moral and symbolic functions. The non-places, non-space, non-time (Amann, 2011) are radically phenomenal conditions that replace the reality of the lived experience and activate the senses as places that excite the body, thermotopos (Sloterdijk, 2002), which boost economic growth and to a considerable extent the multinormativity. Undoubtedly, what is required here and now is a new way of employing the word, the image and the technology within an ephemeral yet eternal temporality.

Parametrizar el campo de relaciones en la vivienda colectiva contemporánea a través de una herramienta concebida desde el proyecto arquitectónico

Es necesario volver la mirada a los centros históricos y revisar cómo debemos mejorar la forma de ofrecer soluciones por parte de los arquitectos. Creemos en los espacios intermedios que aparecen alrededor de sus viviendas. Llamamos a esos espacios “campo de relaciones”. Esta investigación pretende generar una herramienta que transforma el análisis, diagnóstico y evaluación del potencial de mejora en las viviendas existentes en un información comparable, objetiva y transferible, tomando de caso de estudio el bloque en Admiralstrasse 16 (IBA Berlín, Kreuzberg, 1987). It is necessary to focuse on city centres and make a revision on how useful it will be to improve the way architects offer solutions on it. We believe in spaces in-between wich appear in the surrounding spaces of their houses. We call these spaces "common fields". This research project aims to generate a tool that transforms the analysis, diagnosis and assessment of potential for improvement of the existing housing in a comparable, objective and transferable information, taking as case of study the block site on Admiralstraße 16 (IBA Berlín, Kreuzberg,1987).

Experimental evidence of super-resolution better than lambda/105 with positive refraction

Super-resolution (SR) systems surpassing the Abbe diffraction limit have been theoretically and experimentally demonstrated using a number of different approaches and technologies: using materials with a negative refractive index, utilizing optical super-oscillation, using a resonant metalens, etc. However, recently it has been proved theoretically that in the Maxwell fish-eye lens (MFE), a device made of positive refractive index materials, the same phenomenon takes place. Moreover, using a simpler device equivalent to the MFE called the spherical geodesic waveguide (SGW), an SR of up to λ/3000 was simulated in COMSOL. Until now, only one piece of experimental evidence of SR with positive refraction has been reported (up to λ/5) for an MFE prototype working at microwave frequencies. Here, experimental results are presented for an SGW prototype showing an SR of up to λ/105. The SGW prototype consists of two concentric metallic spheres with an air space in between and two coaxial ports acting as an emitter and a receiver. The prototype has been analyzed in the range 1 GHz to 1.3 GHz.

Vacíos urbanos en la ciudad de Zaragoza (1975-2010). Oportunidades para la estructuración y continuidad urbana

La expansión de las ciudades hacia la periferia en las últimas décadas ha generado una serie de tejidos en colisión, donde los intersticios y los espacios residuales muestran la realidad de una ciudad dispersa. A esta serie de espacios intermedios los denominaremos “vacíos urbanos” y determinaremos una serie de factores que hagan posible su identificación Los vacíos urbanos son el objeto de la Tesis. El concepto “vacío urbano” adquiere un determinado significado para la investigación y se acota formulando una serie de parámetros para su definición. Definiremos los “vacíos urbanos” como espacios que han aparecido en el extrarradio de las ciudades, fruto de una expansión sin precedentes de las áreas urbanas. Han surgido como lugares residuales condicionados por elementos naturales o por infraestructuras, ligados a una temporalidad incierta, no inmersos en la dinámicas urbanas o habiendo perdido su funcionalidad. El objetivo de esta investigación es localizar y clasificar los vacíos existentes en la ciudad partiendo de la hipótesis de que es posible establecer una metodología para su reconocimiento y comprobación de los parámetros que los definen. La investigación centra su estudio en la ciudad de Zaragoza, como un ejemplo paradigmático, confirmando que la nueva fenomenología territorial, no sólo se manifiesta en dicha ciudad y en las áreas en concreto donde se ha estudiado, sino que más bien se trata de observarla como una serie de modelos tipológicos que respondan a un proceso de análisis. La propuesta metodológica de loa tesis pasa por reconocerlos, mostrarlos y darles una visibilidad que permita su clasificación, el desarrollo de un estudio de Áreas de la ciudad donde se localizan y un análisis de cada tipología de vacío urbano. Como instrumento metodológico se ha elaborado una detallada cartografía a diferentes escalas. La realización de los planos ha sido el medio de análisis que ha permitido localizar e interpretar los vacíos, complementado con unas escogidas fotografías de estos entornos. La metodología se convierte en un modo de descubrir y analizar los vacíos, el proceso conlleva la comprobación y la clasificación en una tipología. Según se han ido analizando nuevas áreas, se confirma como un hecho repetitivo exitoso y se observa que es aplicable a otras áreas urbanas de similares características, donde se den las condiciones principales de cada tipo. En general, deberán ser espacios localizados en la periferia de núcleos urbanos donde aparezcan fenómenos ligados a una expansión discontinua. Parece probable que el futuro de la ciudad se tenga que resolver en las próximas décadas sobre su actual extensión; bajo este supuesto, es trascendente la función que los vacíos puedan desempeñar en el futuro desarrollo urbano. Toda posibilidad de intervención precisará de una necesaria reinterpretación, puestas las miras en su potencial como elementos capaces de generar una rehabilitación urbana. A su vez se hace conveniente plantear una reflexión sobre estos espacios cargados de una dimensión social y cultural, como lugares capaces de articular y dotar de identidad al medio urbano. Los vacíos deberían protagonizar un papel relevante en la estructuración urbana, abriendo posibilidades para el tramado de la ciudad desde nuevas perspectivas. Una apuesta para que estos espacios libres pasen de ser el objetivo de procesos urbanizadores tradicionales, a ser considerados como oportunos elementos vertebradores de los entornos periurbanos, colaborando en el objetivo de una ciudad contemporánea sostenible. ABSTRACT In the last decades the city periphary expansion has provoked a series of matters to collide, where interstices and waste lands show the reality of a divided city. We shall determine a number of factors allowing us to treat these “in between” spaces, also called "urban voids" as identifiable elements. We will consider them the subject of the thesis and establish them as a "concept", delimiting the meaning of the research specifically acquired, defining, and formulating a set of parameters. "Urban voids" are defined as spaces that have appeared on the outskirts of cities, the result of an unprecedented expansion of urban areas. They have emerged as waste lands, conditioned by natural elements or infrastructure, related to uncertain temporality, not immersed in the urban dynamics, or having lost their functionality. It seems likely that in the upcoming decades, the future of the city will have to resolve its current way of expanding . It is under this assumption that urban voids, as intermediate spaces, will play an important role in future urban developments. Any possible intervention will require a necessary reinterpretation, closely watching their potential as elements capable of generating an urban rehabilitation. At the same time, we wish to reflect on these spaces, in many cases loaded with a social and cultural dimension, as places able to articulate and give identity to the urban environment. Based on the hypothesis that it is possible to establish a methodology for recognition and verification, the purpose of this research is to locate and classify the existing urban voids in the city. The research focuses its study on the city of Saragossa which can be seen as a paradigmatic example. The objective is to confirm that this new territorial phenomenology, not only manifests itself in Saragossa and specific areas under study, but also, can be observed as a series of typological models that respond to a review process. The methodological proposal will recognize, demonstrate, and exhibit these urban voids, in a light that will allow us to classify them, examine the different areas where they can be found, and develop a tipology analysis of each type of urban void found. The technical tool used in this research is a detailed mapping at different scales. A realization of plans, as a mean of analysis, supplemented with a few selected pictures of these environments, will facilitate the location and interpretation of these voids. This scholarly approach to discover and analyze urban voids will involve checking and classifying them in a typology. It has been confirmed as a successful constant regulator while exploring new areas. It will be apply to other urban areas with similar characteristics, that is, spaces located on the periphery of urban areas where expansion is linked to the appearence of discontinuous phenomena. The urban voids play a fundamental role within the urban structure, providing the city a weaving scheme with opportunities of fresh perspectives. The challenge for these free spaces is to move from being the consequence of traditional urban development processes, to being considered opportune backbone elements of peri-urban environments, and to finally contribute to the objectives of a sustainable contemporary city.

Low Work-Function Thermionic Emission and Orbital-Motion-Limited Ion Collection at Bare-Tether Cathodic Contact

Una amarra electrodinámica (electrodynamic tether) opera sobre principios electromagnéticos intercambiando momento con la magnetosfera planetaria e interactuando con su ionosfera. Es un subsistema pasivo fiable para desorbitar etapas de cohetes agotadas y satélites al final de su misión, mitigando el crecimiento de la basura espacial. Una amarra sin aislamiento captura electrones del plasma ambiente a lo largo de su segmento polarizado positivamente, el cual puede alcanzar varios kilómetros de longitud, mientras que emite electrones de vuelta al plasma mediante un contactor de plasma activo de baja impedancia en su extremo catódico, tal como un cátodo hueco (hollow cathode). En ausencia de un contactor catódico activo, la corriente que circula por una amarra desnuda en órbita es nula en ambos extremos de la amarra y se dice que ésta está flotando eléctricamente. Para emisión termoiónica despreciable y captura de corriente en condiciones limitadas por movimiento orbital (orbital-motion-limited, OML), el cociente entre las longitudes de los segmentos anódico y catódico es muy pequeño debido a la disparidad de masas entre iones y electrones. Tal modo de operación resulta en una corriente media y fuerza de Lorentz bajas en la amarra, la cual es poco eficiente como dispositivo para desorbitar. El electride C12A7 : e−, que podría presentar una función de trabajo (work function) tan baja como W = 0.6 eV y un comportamiento estable a temperaturas relativamente altas, ha sido propuesto como recubrimiento para amarras desnudas. La emisión termoiónica a lo largo de un segmento así recubierto y bajo el calentamiento de la operación espacial, puede ser más eficiente que la captura iónica. En el modo más simple de fuerza de frenado, podría eliminar la necesidad de un contactor catódico activo y su correspondientes requisitos de alimentación de gas y subsistema de potencia, lo que resultaría en un sistema real de amarra “sin combustible”. Con este recubrimiento de bajo W, cada segmento elemental del segmento catódico de una amarra desnuda de kilómetros de longitud emitiría corriente como si fuese parte de una sonda cilíndrica, caliente y uniformemente polarizada al potencial local de la amarra. La operación es similar a la de una sonda de Langmuir 2D tanto en los segmentos catódico como anódico. Sin embargo, en presencia de emisión, los electrones emitidos resultan en carga espacial (space charge) negativa, la cual reduce el campo eléctrico que los acelera hacia fuera, o incluso puede desacelerarlos y hacerlos volver a la sonda. Se forma una doble vainas (double sheath) estable con electrones emitidos desde la sonda e iones provenientes del plasma ambiente. La densidad de corriente termoiónica, variando a lo largo del segmento catódico, podría seguir dos leyes distintas bajo diferentes condiciones: (i) la ley de corriente limitada por la carga espacial (space-charge-limited, SCL) o (ii) la ley de Richardson-Dushman (RDS). Se presenta un estudio preliminar sobre la corriente SCL frente a una sonda emisora usando la teoría de vainas (sheath) formada por la captura iónica en condiciones OML, y la corriente electrónica SCL entre los electrodos cilíndricos según Langmuir. El modelo, que incluye efectos óhmicos y el efecto de transición de emisión SCL a emisión RDS, proporciona los perfiles de corriente y potencial a lo largo de la longitud completa de la amarra. El análisis muestra que en el modo más simple de fuerza de frenado, bajo condiciones orbitales y de amarras típicas, la emisión termoiónica proporciona un contacto catódico eficiente y resulta en una sección catódica pequeña. En el análisis anterior, tanto la transición de emisión SCL a RD como la propia ley de emisión SCL consiste en un modelo muy simplificado. Por ello, a continuación se ha estudiado con detalle la solución de vaina estacionaria de una sonda con emisión termoiónica polarizada negativamente respecto a un plasma isotrópico, no colisional y sin campo magnético. La existencia de posibles partículas atrapadas ha sido ignorada y el estudio incluye tanto un estudio semi-analítico mediante técnica asintóticas como soluciones numéricas completas del problema. Bajo las tres condiciones (i) alto potencial, (ii) R = Rmax para la validez de la captura iónica OML, y (iii) potencial monotónico, se desarrolla un análisis asintótico auto-consistente para la estructura de plasma compleja que contiene las tres especies de cargas (electrones e iones del plasma, electrones emitidos), y cuatro regiones espaciales distintas, utilizando teorías de movimiento orbital y modelos cinéticos de las especies. Aunque los electrones emitidos presentan carga espacial despreciable muy lejos de la sonda, su efecto no se puede despreciar en el análisis global de la estructura de la vaina y de dos capas finas entre la vaina y la región cuasi-neutra. El análisis proporciona las condiciones paramétricas para que la corriente sea SCL. También muestra que la emisión termoiónica aumenta el radio máximo de la sonda para operar dentro del régimen OML y que la emisión de electrones es mucho más eficiente que la captura iónica para el segmento catódico de la amarra. En el código numérico, los movimientos orbitales de las tres especies son modelados para potenciales tanto monotónico como no-monotónico, y sonda de radio R arbitrario (dentro o más allá del régimen de OML para la captura iónica). Aprovechando la existencia de dos invariante, el sistema de ecuaciones Poisson-Vlasov se escribe como una ecuación integro-diferencial, la cual se discretiza mediante un método de diferencias finitas. El sistema de ecuaciones algebraicas no lineal resultante se ha resuelto de con un método Newton-Raphson paralelizado. Los resultados, comparados satisfactoriamente con el análisis analítico, proporcionan la emisión de corriente y la estructura del plasma y del potencial electrostático. ABSTRACT An electrodynamic tether operates on electromagnetic principles and exchanges momentum through the planetary magnetosphere, by continuously interacting with the ionosphere. It is a reliable passive subsystem to deorbit spent rocket stages and satellites at its end of mission, mitigating the growth of orbital debris. A tether left bare of insulation collects electrons by its own uninsulated and positively biased segment with kilometer range, while electrons are emitted by a low-impedance active device at the cathodic end, such as a hollow cathode, to emit the full electron current. In the absence of an active cathodic device, the current flowing along an orbiting bare tether vanishes at both ends and the tether is said to be electrically floating. For negligible thermionic emission and orbital-motion-limited (OML) collection throughout the entire tether (electron/ion collection at anodic/cathodic segment, respectively), the anodic-to-cathodic length ratio is very small due to ions being much heavier, which results in low average current and Lorentz drag. The electride C12A7 : e−, which might present a possible work function as low as W = 0.6 eV and moderately high temperature stability, has been proposed as coating for floating bare tethers. Thermionic emission along a thus coated cathodic segment, under heating in space operation, can be more efficient than ion collection and, in the simplest drag mode, may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas-feed requirements and power subsystem, which would result in a truly “propellant-less” tether system. With this low-W coating, each elemental segment on the cathodic segment of a kilometers-long floating bare-tether would emit current as if it were part of a hot cylindrical probe uniformly polarized at the local tether bias, under 2D probe conditions that are also applied to the anodic-segment analysis. In the presence of emission, emitted electrons result in negative space charge, which decreases the electric field that accelerates them outwards, or even reverses it, decelerating electrons near the emitting probe. A double sheath would be established with electrons being emitted from the probe and ions coming from the ambient plasma. The thermionic current density, varying along the cathodic segment, might follow two distinct laws under different con ditions: i) space-charge-limited (SCL) emission or ii) full Richardson-Dushman (RDS) emission. A preliminary study on the SCL current in front of an emissive probe is presented using the orbital-motion-limited (OML) ion-collection sheath and Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects considered and the transition from SCL to full RDS emission is included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission provides efficient cathodic contact and leads to a short cathodic section. In the previous analysis, both the transition between SCL and RDS emission and the current law for SCL condition have used a very simple model. To continue, considering an isotropic, unmagnetized, colissionless plasma and a stationary sheath, the probe-plasma contact is studied in detail for a negatively biased probe with thermionic emission. The possible trapped particles are ignored and this study includes both semianalytical solutions using asymptotic analysis and complete numerical solutions. Under conditions of i) high bias, ii) R = Rmax for ion OML collection validity, and iii) monotonic potential, a self-consistent asymptotic analysis is carried out for the complex plasma structure involving all three charge species (plasma electrons and ions, and emitted electrons) and four distinct spatial regions using orbital motion theories and kinetic modeling of the species. Although emitted electrons present negligible space charge far away from the probe, their effect cannot be neglected in the global analysis for the sheath structure and two thin layers in between the sheath and the quasineutral region. The parametric conditions for the current to be space-chargelimited are obtained. It is found that thermionic emission increases the range of probe radius for OML validity and is greatly more effective than ion collection for cathodic contact of tethers. In the numerical code, the orbital motions of all three species are modeled for both monotonic and non-monotonic potential, and for any probe radius R (within or beyond OML regime for ion collection). Taking advantage of two constants of motion (energy and angular momentum), the Poisson-Vlasov equation is described by an integro differential equation, which is discretized using finite difference method. The non-linear algebraic equations are solved using a parallel implementation of the Newton-Raphson method. The results, which show good agreement with the analytical results, provide the results for thermionic current, the sheath structure, and the electrostatic potential.

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.

Low work-function thermionic emission and orbital-motion-limited ion collection at bare-tether cathodic contact

With a thin coating of low-work-function material, thermionic emission in the cathodic segment of bare tethers might be much greater than orbital-motion-limited (OML) ion collection current. The space charge of the emitted electrons decreases the electric field that accelerates them outwards, and could even reverse it for high enough emission, producing a potential hollow. In this work, at the conditions of high bias and relatively low emission that make the potential monotonic, an asymptotic analysis is carried out, extending the OML ion-collection analysis to investigate the probe response due to electrons emitted by the negatively biased cylindrical probe. At given emission, the space charge effect from emitted electrons increases with decreasing magnitude of negative probe bias. Although emitted electrons present negligible space charge far away from the probe, their effect cannot be neglected in the global analysis for the sheath structure and two thin layers in between sheath and the quasineutral region. The space-charge-limited condition is located. It is found that thermionic emission increases the range of probe radius for OML validity and is greatly more effective than ion collection for cathodic contact of tethers.

Outreach Testing of Ancient Astronomy

This work is an outreach approach to an ubiquitous recent problem in secondary-school education: how to face back the decreasing interest in natural sciences shown by students under ‘pressure’ of convenient resources in digital devices/applications. The approach rests on two features. First, empowering of teen-age students to understand regular natural events around, as very few educated people they meet could do. Secondly, an understanding that rests on personal capability to test and verify experimental results from the oldest science, astronomy, with simple instruments as used from antiquity down to the Renaissance (a capability restricted to just solar and lunar motions). Because lengths in astronomy and daily life are so disparate, astronomy basically involved observing and registering values of angles (along with times), measurements being of two types, of angles on the ground and of angles in space, from the ground. First, the gnomon, a simple vertical stick introduced in Babylonia and Egypt, and then in Greece, is used to understand solar motion. The gnomon shadow turns around during any given day, varying in length and thus angle between solar ray and vertical as it turns, going through a minimum (noon time, at a meridian direction) while sweeping some angular range from sunrise to sunset. Further, the shadow minimum length varies through the year, with times when shortest and sun closest to vertical, at summer solstice, and times when longest, at winter solstice six months later. The extreme directions at sunset and sunrise correspond to the solstices, swept angular range greatest at summer, over 180 degrees, and the opposite at winter, with less daytime hours; in between, spring and fall equinoxes occur, marked by collinear shadow directions at sunrise and sunset. The gnomon allows students to determine, in addition to latitude (about 40.4° North at Madrid, say), the inclination of earth equator to plane of its orbit around the sun (ecliptic), this fundamental quantity being given by half the difference between solar distances to vertical at winter and summer solstices, with value about 23.5°. Day and year periods greatly differing by about 2 ½ orders of magnitude, 1 day against 365 days, helps students to correctly visualize and interpret the experimental measurements. Since the gnomon serves to observe at night the moon shadow too, students can also determine the inclination of the lunar orbital plane, as about 5 degrees away from the ecliptic, thus explaining why eclipses are infrequent. Independently, earth taking longer between spring and fall equinoxes than from fall to spring (the solar anomaly), as again verified by the students, was explained in ancient Greek science, which posited orbits universally as circles or their combination, by introducing the eccentric circle, with earth placed some distance away from the orbital centre when considering the relative motion of the sun, which would be closer to the earth in winter. In a sense, this can be seen as hint and approximation of the elliptic orbit proposed by Kepler many centuries later.