Electrodynamic Tether at Jupiter I: Capture operation and constraints

Tethered spacecraft missions to the Jovian system suit the use of electrodynamic tethers because: 1) magnetic stresses are 100 times greater than at the Earth; 2) the stationary orbit is one-third the relative distance for Earth; and 3) moon Io is a nearby giant plasma source. The (bare) tether is a reinforced aluminum foil with tens of kilometer length L and a fraction of millimeter thickness h, which collects electrons as an efficient Langmuir probe and can tap Jupiter’s rotational energy for both propulsion and power. In this paper, the critical capture operation is explicitly formulated in terms of orbit geometry and established magnetic and thermal plasma models. The design parameters L and h and capture perijove radius rp face opposite criteria independent of tape width. Efficient capture requires a low rp and a high L 3/2/h ratio. However, combined bounds on tether bowing and tether tensile stress, arising from a spin made necessary by the low Jovian gravity gradient, require a high rp and a low L 5/2/h ratio. Bounds on tether temperature again require a high rp and a low L 3/8/(tether emissivity)1/4 ratio. Optimal design values are discussed.

Electrodynamic tethers for spacecraft propulsion

Relatively short electrodynamic tethers can use solar power to "push" against a planetary magnetic field to achieve propul sion without expenditure of propellant. The groundwork has been laid for this type of propulsion. Recent important milestones include retrieval of a tether in space (TSS-1, 1992), successful deployment of a 20-km-long tether in space (SEDS-1, 1993), and operation of an electrodynamic tether with tether current driven in both directions (PMG, 1993). The planned Propulsive Small Expendable Deployer System (ProSEDS) experiment will use the flight-proven Small Expendable Deployer System (SEDS) to deploy a 5-km bare copper tether from a Delta II upper stage to achieve -0,4 N drag thrust, thus deorbiting the stage, The experiment will use a predominantly "bare" tether for current collection in lieu of the endmass collector and insulated tether approach used on previous missions, Theory and ground-based plasma chamber testing indicate that the bare tether is a highly efficient current collector. The flight experiment is a precursor to utilization of the technology on the International Space tation (JSS) for reboost and the electrodynamic tether pper stage demonstration misión which will be capable of orbit raising, lowering, and inclination changes—all using electrodynamic thrust. In addition, the use of this type of propulsion may be attractive for future missions to Jupiter.

System Engineering Approach to Initial Design of LEO Remote Sensing Missions

The satellite remote sensing missions are essential for long-term research around the condition of the earth resources and environment. On the other hand, in recent years the application of microsatellites is of interest in many space programs for their less cost and response time. In microsatellite remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole system level design characteristics. In this work, the remote sensing microsatellite sizing process is divided into three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. Finally, some specific design cases are investigated inside the design space for evaluating the effect of different design variables on the satellite total mass. Considering the results of the work, it is concluded that applying a systematic approach at the initial design phase of such projects provides a good insight to the not clearly seen interactions inside their highly extended design space

Frozen orbits for scientific missions using rotating tethers

We derive a semi-analytic formulation that permits to study the long-term dynamics of fast-rotating inert tethers around planetary satellites. Since space tethers are extensive bodies they generate non-keplerian gravitational forces which depend solely on their mass geometry and attitude, that can be exploited for controlling science orbits. We conclude that rotating tethers modify the geometry of frozen orbits, allowing for lower eccentricity frozen orbits for a wide range of orbital inclination, where the length of the tether becomes a new parameter that the mission analyst may use to shape frozen orbits to tighter operational constraints.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

Electrodynamic tether at Jupiter 2. Tour missions after capture

Three separate scenarios of an electrodynamic tether mission at Jupiter following capture of a spacecraft (SC) into an equatorial, highly elliptical orbit around the planet, with perijove at about 1.5 times the Jovian radius, are discussed. Repeated application of Lorentz drag on the spinning tether, at the perijove vicinity, can progressively lower the apojove. One mission involves the tethered-SC rapidly and frequently visiting Galilean moons; elliptical orbits with apojove down at the Ganymede, Europa, and Io orbits are in 2:5, 4:9, and 1:2 resonances with the respective moons. About 20 slow flybys of Io would take place before the accumulated radiation dose exceeds 3 Mrad (Si) at 10 mm Al shield thickness, with a total duration of 5 months after capture (4 months for lowering the apojove to Io and one month for the flybys). The respective number of flybys for Ganymede would be 10 with a total duration of about 9 months. An alternative mission would have the SC acquire a low circular orbit around Jupiter, below the radiation belts, and manoeuvre to get an optimal altitude, with no major radiation effects, in less than 5 months after capture. In a third mission, repeated thrusting at the apojove vicinity, once down at the Io torus, would raise the perijove itself to the torus to acquire a low circular orbit around Io in about 4 months, for a total of 8 months after capture; this corresponds, however, to over 100 apojove passes with an accumulated dose, of about 8.5 Mrad (Si), that poses a critical issue.

Multidisciplinary Design Optimization Application to Conceptual Design of University-class Microsatellite Projects

Esta tesis se ha realizado en el contexto del proyecto UPMSat-2, que es un microsatélite diseñado, construido y operado por el Instituto Universitario de Microgravedad "Ignacio Da Riva" (IDR / UPM) de la Universidad Politécnica de Madrid. Aplicación de la metodología Ingeniería Concurrente (Concurrent Engineering: CE) en el marco de la aplicación de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) es uno de los principales objetivos del presente trabajo. En los últimos años, ha habido un interés continuo en la participación de los grupos de investigación de las universidades en los estudios de la tecnología espacial a través de sus propios microsatélites. La participación en este tipo de proyectos tiene algunos desafíos inherentes, tales como presupuestos y servicios limitados. Además, debido al hecho de que el objetivo principal de estos proyectos es fundamentalmente educativo, por lo general hay incertidumbres en cuanto a su misión en órbita y cargas útiles en las primeras fases del proyecto. Por otro lado, existen limitaciones predeterminadas para sus presupuestos de masa, volumen y energía, debido al hecho de que la mayoría de ellos están considerados como una carga útil auxiliar para el lanzamiento. De este modo, el costo de lanzamiento se reduce considerablemente. En este contexto, el subsistema estructural del satélite es uno de los más afectados por las restricciones que impone el lanzador. Esto puede afectar a diferentes aspectos, incluyendo las dimensiones, la resistencia y los requisitos de frecuencia. En la primera parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una herramienta de diseño del subsistema estructural que evalúa, no sólo las propiedades de la estructura primaria como variables, sino también algunas variables de nivel de sistema del satélite, como la masa de la carga útil y la masa y las dimensiones extremas de satélite. Este enfoque permite que el equipo de diseño obtenga una mejor visión del diseño en un espacio de diseño extendido. La herramienta de diseño estructural se basa en las fórmulas y los supuestos apropiados, incluyendo los modelos estáticos y dinámicos del satélite. Un algoritmo genético (Genetic Algorithm: GA) se aplica al espacio de diseño para optimizaciones de objetivo único y también multiobjetivo. El resultado de la optimización multiobjetivo es un Pareto-optimal basado en dos objetivo, la masa total de satélites mínimo y el máximo presupuesto de masa de carga útil. Por otro lado, la aplicación de los microsatélites en misiones espaciales es de interés por su menor coste y tiempo de desarrollo. La gran necesidad de las aplicaciones de teledetección es un fuerte impulsor de su popularidad en este tipo de misiones espaciales. Las misiones de tele-observación por satélite son esenciales para la investigación de los recursos de la tierra y el medio ambiente. En estas misiones existen interrelaciones estrechas entre diferentes requisitos como la altitud orbital, tiempo de revisita, el ciclo de vida y la resolución. Además, todos estos requisitos puede afectar a toda las características de diseño. Durante los últimos años la aplicación de CE en las misiones espaciales ha demostrado una gran ventaja para llegar al diseño óptimo, teniendo en cuenta tanto el rendimiento y el costo del proyecto. Un ejemplo bien conocido de la aplicación de CE es la CDF (Facilidad Diseño Concurrente) de la ESA (Agencia Espacial Europea). Está claro que para los proyectos de microsatélites universitarios tener o desarrollar una instalación de este tipo parece estar más allá de las capacidades del proyecto. Sin embargo, la práctica de la CE a cualquier escala puede ser beneficiosa para los microsatélites universitarios también. En la segunda parte de esta tesis, la atención se centra en el desarrollo de una estructura de optimización de diseño multidisciplinar (Multidisciplinary Design Optimization: MDO) aplicable a la fase de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Este enfoque permite que el equipo de diseño conozca la interacción entre las diferentes variables de diseño. El esquema MDO presentado no sólo incluye variables de nivel de sistema, tales como la masa total del satélite y la potencia total, sino también los requisitos de la misión como la resolución y tiempo de revisita. El proceso de diseño de microsatélites se divide en tres disciplinas; a) diseño de órbita, b) diseño de carga útil y c) diseño de plataforma. En primer lugar, se calculan diferentes parámetros de misión para un rango práctico de órbitas helio-síncronas (sun-synchronous orbits: SS-Os). Luego, según los parámetros orbitales y los datos de un instrumento como referencia, se calcula la masa y la potencia de la carga útil. El diseño de la plataforma del satélite se estima a partir de los datos de la masa y potencia de los diferentes subsistemas utilizando relaciones empíricas de diseño. El diseño del subsistema de potencia se realiza teniendo en cuenta variables de diseño más detalladas, como el escenario de la misión y diferentes tipos de células solares y baterías. El escenario se selecciona, de modo de obtener una banda de cobertura sobre la superficie terrestre paralelo al Ecuador después de cada intervalo de revisita. Con el objetivo de evaluar las interrelaciones entre las diferentes variables en el espacio de diseño, todas las disciplinas de diseño mencionados se combinan en un código unificado. Por último, una forma básica de MDO se ajusta a la herramienta de diseño de sistema de satélite. La optimización del diseño se realiza por medio de un GA con el único objetivo de minimizar la masa total de microsatélite. Según los resultados obtenidos de la aplicación del MDO, existen diferentes puntos de diseños óptimos, pero con diferentes variables de misión. Este análisis demuestra la aplicabilidad de MDO para los estudios de ingeniería de sistema en la fase de diseño conceptual en este tipo de proyectos. La principal conclusión de esta tesis, es que el diseño clásico de los satélites que por lo general comienza con la definición de la misión y la carga útil no es necesariamente la mejor metodología para todos los proyectos de satélites. Un microsatélite universitario, es un ejemplo de este tipo de proyectos. Por eso, se han desarrollado un conjunto de herramientas de diseño para encarar los estudios de la fase inicial de diseño. Este conjunto de herramientas incluye diferentes disciplinas de diseño centrados en el subsistema estructural y teniendo en cuenta una carga útil desconocida a priori. Los resultados demuestran que la mínima masa total del satélite y la máxima masa disponible para una carga útil desconocida a priori, son objetivos conflictivos. En este contexto para encontrar un Pareto-optimal se ha aplicado una optimización multiobjetivo. Según los resultados se concluye que la selección de la masa total por satélite en el rango de 40-60 kg puede considerarse como óptima para un proyecto de microsatélites universitario con carga útil desconocida a priori. También la metodología CE se ha aplicado al proceso de diseño conceptual de microsatélites de teledetección. Los resultados de la aplicación del CE proporcionan una clara comprensión de la interacción entre los requisitos de diseño de sistemas de satélites, tales como la masa total del microsatélite y la potencia y los requisitos de la misión como la resolución y el tiempo de revisita. La aplicación de MDO se hace con la minimización de la masa total de microsatélite. Los resultados de la aplicación de MDO aclaran la relación clara entre los diferentes requisitos de diseño del sistema y de misión, así como que permiten seleccionar las líneas de base para el diseño óptimo con el objetivo seleccionado en las primeras fase de diseño. ABSTRACT This thesis is done in the context of UPMSat-2 project, which is a microsatellite under design and manufacturing at the Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) of the Universidad Politécnica de Madrid. Application of Concurrent Engineering (CE) methodology in the framework of Multidisciplinary Design application (MDO) is one of the main objectives of the present work. In recent years, there has been continuing interest in the participation of university research groups in space technology studies by means of their own microsatellites. The involvement in such projects has some inherent challenges, such as limited budget and facilities. Also, due to the fact that the main objective of these projects is for educational purposes, usually there are uncertainties regarding their in orbit mission and scientific payloads at the early phases of the project. On the other hand, there are predetermined limitations for their mass and volume budgets owing to the fact that most of them are launched as an auxiliary payload in which the launch cost is reduced considerably. The satellite structure subsystem is the one which is most affected by the launcher constraints. This can affect different aspects, including dimensions, strength and frequency requirements. In the first part of this thesis, the main focus is on developing a structural design sizing tool containing not only the primary structures properties as variables but also the satellite system level variables such as payload mass budget and satellite total mass and dimensions. This approach enables the design team to obtain better insight into the design in an extended design envelope. The structural design sizing tool is based on the analytical structural design formulas and appropriate assumptions including both static and dynamic models of the satellite. A Genetic Algorithm (GA) is applied to the design space for both single and multiobejective optimizations. The result of the multiobjective optimization is a Pareto-optimal based on two objectives, minimum satellite total mass and maximum payload mass budget. On the other hand, the application of the microsatellites is of interest for their less cost and response time. The high need for the remote sensing applications is a strong driver of their popularity in space missions. The satellite remote sensing missions are essential for long term research around the condition of the earth resources and environment. In remote sensing missions there are tight interrelations between different requirements such as orbital altitude, revisit time, mission cycle life and spatial resolution. Also, all of these requirements can affect the whole design characteristics. During the last years application of the CE in the space missions has demonstrated a great advantage to reach the optimum design base lines considering both the performance and the cost of the project. A well-known example of CE application is ESA (European Space Agency) CDF (Concurrent Design Facility). It is clear that for the university-class microsatellite projects having or developing such a facility seems beyond the project capabilities. Nevertheless practicing CE at any scale can be beneficiary for the university-class microsatellite projects. In the second part of this thesis, the main focus is on developing a MDO framework applicable to the conceptual design phase of the remote sensing microsatellites. This approach enables the design team to evaluate the interaction between the different system design variables. The presented MDO framework contains not only the system level variables such as the satellite total mass and total power, but also the mission requirements like the spatial resolution and the revisit time. The microsatellite sizing process is divided into the three major design disciplines; a) orbit design, b) payload sizing and c) bus sizing. First, different mission parameters for a practical range of sun-synchronous orbits (SS-Os) are calculated. Then, according to the orbital parameters and a reference remote sensing instrument, mass and power of the payload are calculated. Satellite bus sizing is done based on mass and power calculation of the different subsystems using design estimation relationships. In the satellite bus sizing, the power subsystem design is realized by considering more detailed design variables including a mission scenario and different types of solar cells and batteries. The mission scenario is selected in order to obtain a coverage belt on the earth surface parallel to the earth equatorial after each revisit time. In order to evaluate the interrelations between the different variables inside the design space all the mentioned design disciplines are combined in a unified code. The integrated satellite system sizing tool developed in this section is considered as an application of the CE to the conceptual design of the remote sensing microsatellite projects. Finally, in order to apply the MDO methodology to the design problem, a basic MDO framework is adjusted to the developed satellite system design tool. Design optimization is done by means of a GA single objective algorithm with the objective function as minimizing the microsatellite total mass. According to the results of MDO application, there exist different optimum design points all with the minimum satellite total mass but with different mission variables. This output demonstrates the successful applicability of MDO approach for system engineering trade-off studies at the conceptual design phase of the design in such projects. The main conclusion of this thesis is that the classical design approach for the satellite design which usually starts with the mission and payload definition is not necessarily the best approach for all of the satellite projects. The university-class microsatellite is an example for such projects. Due to this fact an integrated satellite sizing tool including different design disciplines focusing on the structural subsystem and considering unknown payload is developed. According to the results the satellite total mass and available mass for the unknown payload are conflictive objectives. In order to find the Pareto-optimal a multiobjective GA optimization is conducted. Based on the optimization results it is concluded that selecting the satellite total mass in the range of 40-60 kg can be considered as an optimum approach for a university-class microsatellite project with unknown payload(s). Also, the CE methodology is applied to the remote sensing microsatellites conceptual design process. The results of CE application provide a clear understanding of the interaction between satellite system design requirements such as satellite total mass and power and the satellite mission variables such as revisit time and spatial resolution. The MDO application is done with the total mass minimization of a remote sensing satellite. The results from the MDO application clarify the unclear relationship between different system and mission design variables as well as the optimum design base lines according to the selected objective during the initial design phases.

Aerial Coverage Path Planning applied to Mapping

In the last decade we have seen how small and light weight aerial platforms - aka, Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAV) - shipped with heterogeneous sensors have become a 'most wanted' Remote Sensing (RS) tool. Most of the off-the-shelf aerial systems found in the market provide way-point navigation. However, they do not rely on a tool that compute the aerial trajectories considering all the aspects that allow optimizing the aerial missions. One of the most demanded RS applications of MUAV is image surveying. The images acquired are typically used to build a high-resolution image, i.e., a mosaic of the workspace surface. Although, it may be applied to any other application where a sensor-based map must be computed. This thesis provides a study of this application and a set of solutions and methods to address this kind of aerial mission by using a fleet of MUAVs. In particular, a set of algorithms are proposed for map-based sampling, and aerial coverage path planning (ACPP). Regarding to map-based sampling, the approaches proposed consider workspaces with different shapes and surface characteristics. The workspace is sampled considering the sensor characteristics and a set of mission requirements. The algorithm applies different computational geometry approaches, providing a unique way to deal with workspaces with different shape and surface characteristics in order to be surveyed by one or more MUAVs. This feature introduces a previous optimization step before path planning. After that, the ACPP problem is theorized and a set of ACPP algorithms to compute the MUAVs trajectories are proposed. The problem addressed herein is the problem to coverage a wide area by using MUAVs with limited autonomy. Therefore, the mission must be accomplished in the shortest amount of time. The aerial survey is usually subject to a set of workspace restrictions, such as the take-off and landing positions as well as a safety distance between elements of the fleet. Moreover, it has to avoid forbidden zones to y. Three different algorithms have been studied to address this problem. The approaches studied are based on graph searching, heuristic and meta-heuristic approaches, e.g., mimic, evolutionary. Finally, an extended survey of field experiments applying the previous methods, as well as the materials and methods adopted in outdoor missions is presented. The reported outcomes demonstrate that the findings attained from this thesis improve ACPP mission for mapping purpose in an efficient and safe manner.

Bare-tape scaling laws for de-orbit missions in a space debris environment

El entorno espacial actual hay un gran numero de micro-meteoritos y basura espacial generada por el hombre, lo cual plantea un riesgo para la seguridad de las operaciones en el espacio. La situación se agrava continuamente a causa de las colisiones de basura espacial en órbita, y los nuevos lanzamientos de satélites. Una parte significativa de esta basura son satélites muertos, y fragmentos de satélites resultantes de explosiones y colisiones de objetos en órbita. La mitigación de este problema se ha convertido en un tema de preocupación prioritario para todas las instituciones que participan en operaciones espaciales. Entre las soluciones existentes, las amarras electrodinámicas (EDT) proporcionan un eficiente dispositivo para el rápido de-orbitado de los satélites en órbita terrestre baja (LEO), al final de su vida útil. El campo de investigación de las amarras electrodinámicas (EDT) ha sido muy fructífero desde los años 70. Gracias a estudios teóricos, y a misiones para la demostración del funcionamiento de las amarras en órbita, esta tecnología se ha desarrollado muy rápidamente en las últimas décadas. Durante este período de investigación, se han identificado y superado múltiples problemas técnicos de diversa índole. Gran parte del funcionamiento básico del sistema EDT depende de su capacidad de supervivencia ante los micro-meteoritos y la basura espacial. Una amarra puede ser cortada completamente por una partícula cuando ésta tiene un diámetro mínimo. En caso de corte debido al impacto de partículas, una amarra en sí misma, podría ser un riesgo para otros satélites en funcionamiento. Por desgracia, tras varias demostraciones en órbita, no se ha podido concluir que este problema sea importante para el funcionamiento del sistema. En esta tesis, se presenta un análisis teórico de la capacidad de supervivencia de las amarras en el espacio. Este estudio demuestra las ventajas de las amarras de sección rectangular (cinta), en cuanto a la probabilidad de supervivencia durante la misión, frente a las amarras convencionales (cables de sección circular). Debido a su particular geometría (longitud mucho mayor que la sección transversal), una amarra puede tener un riesgo relativamente alto de ser cortado por un único impacto con una partícula de pequeñas dimensiones. Un cálculo analítico de la tasa de impactos fatales para una amarra cilindrica y de tipo cinta de igual longitud y masa, considerando el flujo de partículas de basura espacial del modelo ORDEM2000 de la NASA, muestra mayor probabilidad de supervivencia para las cintas. Dicho análisis ha sido comparado con un cálculo numérico empleando los modelos de flujo el ORDEM2000 y el MASTER2005 de ESA. Además se muestra que, para igual tiempo en órbita, una cinta tiene una probabilidad de supervivencia un orden y medio de magnitud mayor que una amarra cilindrica con igual masa y longitud. Por otra parte, de-orbitar una cinta desde una cierta altitud, es mucho más rápido, debido a su mayor perímetro que le permite capturar más corriente. Este es un factor adicional que incrementa la probabilidad de supervivencia de la cinta, al estar menos tiempo expuesta a los posibles impactos de basura espacial. Por este motivo, se puede afirmar finalmente y en sentido práctico, que la capacidad de supervivencia de la cinta es bastante alta, en comparación con la de la amarra cilindrica. El segundo objetivo de este trabajo, consiste en la elaboración de un modelo analítico, mejorando la aproximación del flujo de ORDEM2000 y MASTER2009, que permite calcular con precisión, la tasa de impacto fatal al año para una cinta en un rango de altitudes e inclinaciones, en lugar de unas condiciones particulares. Se obtiene el numero de corte por un cierto tiempo en función de la geometría de la cinta y propiedades de la órbita. Para las mismas condiciones, el modelo analítico, se compara con los resultados obtenidos del análisis numérico. Este modelo escalable ha sido esencial para la optimización del diseño de la amarra para las misiones de de-orbitado de los satélites, variando la masa del satélite y la altitud inicial de la órbita. El modelo de supervivencia se ha utilizado para construir una función objetivo con el fin de optimizar el diseño de amarras. La función objectivo es el producto del cociente entre la masa de la amarra y la del satélite y el numero de corte por un cierto tiempo. Combinando el modelo de supervivencia con una ecuación dinámica de la amarra donde aparece la fuerza de Lorentz, se elimina el tiempo y se escribe la función objetivo como función de la geometría de la cinta y las propietades de la órbita. Este modelo de optimización, condujo al desarrollo de un software, que esta en proceso de registro por parte de la UPM. La etapa final de este estudio, consiste en la estimación del número de impactos fatales, en una cinta, utilizando por primera vez una ecuación de límite balístico experimental. Esta ecuación ha sido desarollada para cintas, y permite representar los efectos tanto de la velocidad de impacto como el ángulo de impacto. Los resultados obtenidos demuestran que la cinta es altamente resistente a los impactos de basura espacial, y para una cinta con una sección transversal definida, el número de impactos críticos debidos a partículas no rastreables es significativamente menor. ABSTRACT The current space environment, consisting of man-made debris and tiny meteoroids, poses a risk to safe operations in space, and the situation is continuously deteriorating due to in-orbit debris collisions and to new satellite launches. Among these debris a significant portion is due to dead satellites and fragments of satellites resulted from explosions and in-orbit collisions. Mitigation of space debris has become an issue of first concern for all the institutions involved in space operations. Bare electrodynamic tethers (EDT) can provide an efficient mechanism for rapid de-orbiting of defunct satellites from low Earth orbit (LEO) at end of life. The research on EDT has been a fruitful field since the 70’s. Thanks to both theoretical studies and in orbit demonstration missions, this technology has been developed very fast in the following decades. During this period, several technical issues were identified and overcome. The core functionality of EDT system greatly depends on their survivability to the micrometeoroids and orbital debris, and a tether can become itself a kind of debris for other operating satellites in case of cutoff due to particle impact; however, this very issue is still inconclusive and conflicting after having a number of space demonstrations. A tether can be completely cut by debris having some minimal diameter. This thesis presents a theoretical analysis of the survivability of tethers in space. The study demonstrates the advantages of tape tethers over conventional round wires particularly on the survivability during the mission. Because of its particular geometry (length very much larger than cross-sectional dimensions), a tether may have a relatively high risk of being severed by the single impact of small debris. As a first approach to the problem, survival probability has been compared for a round and a tape tether of equal mass and length. The rates of fatal impact of orbital debris on round and tape tether, evaluated with an analytical approximation to debris flux modeled by NASA’s ORDEM2000, shows much higher survival probability for tapes. A comparative numerical analysis using debris flux model ORDEM2000 and ESA’s MASTER2005 shows good agreement with the analytical result. It also shows that, for a given time in orbit, a tape has a probability of survival of about one and a half orders of magnitude higher than a round tether of equal mass and length. Because de-orbiting from a given altitude is much faster for the tape due to its larger perimeter, its probability of survival in a practical sense is quite high. As the next step, an analytical model derived in this work allows to calculate accurately the fatal impact rate per year for a tape tether. The model uses power laws for debris-size ranges, in both ORDEM2000 and MASTER2009 debris flux models, to calculate tape tether survivability at different LEO altitudes. The analytical model, which depends on tape dimensions (width, thickness) and orbital parameters (inclinations, altitudes) is then compared with fully numerical results for different orbit inclinations, altitudes and tape width for both ORDEM2000 and MASTER2009 flux data. This scalable model not only estimates the fatal impact count but has proved essential in optimizing tether design for satellite de-orbit missions varying satellite mass and initial orbital altitude and inclination. Within the frame of this dissertation, a simple analysis has been finally presented, showing the scalable property of tape tether, thanks to the survivability model developed, that allows analyze and compare de-orbit performance for a large range of satellite mass and orbit properties. The work explicitly shows the product of tether-to-satellite mass-ratio and fatal impact count as a function of tether geometry and orbital parameters. Combining the tether dynamic equation involving Lorentz drag with space debris impact survivability model, eliminates time from the expression. Hence the product, is independent of tether de-orbit history and just depends on mission constraints and tether length, width and thickness. This optimization model finally led to the development of a friendly software tool named BETsMA, currently in process of registration by UPM. For the final step, an estimation of fatal impact rate on a tape tether has been done, using for the first time an experimental ballistic limit equation that was derived for tapes and accounts for the effects of both the impact velocity and impact angle. It is shown that tape tethers are highly resistant to space debris impacts and considering a tape tether with a defined cross section, the number of critical events due to impact with non-trackable debris is always significantly low.

Aerial Coverage Path Planning applied to Mapping

In the last decade we have seen how small and light weight aerial platforms - aka, Mini Unmanned Aerial Vehicles (MUAV) - shipped with heterogeneous sensors have become a 'most wanted' Remote Sensing (RS) tool. Most of the off-the-shelf aerial systems found in the market provide way-point navigation. However, they do not rely on a tool that compute the aerial trajectories considering all the aspects that allow optimizing the aerial missions. One of the most demanded RS applications of MUAV is image surveying. The images acquired are typically used to build a high-resolution image, i.e., a mosaic of the workspace surface. Although, it may be applied to any other application where a sensor-based map must be computed. This thesis provides a study of this application and a set of solutions and methods to address this kind of aerial mission by using a fleet of MUAVs. In particular, a set of algorithms are proposed for map-based sampling, and aerial coverage path planning (ACPP). Regarding to map-based sampling, the approaches proposed consider workspaces with different shapes and surface characteristics. The workspace is sampled considering the sensor characteristics and a set of mission requirements. The algorithm applies different computational geometry approaches, providing a unique way to deal with workspaces with different shape and surface characteristics in order to be surveyed by one or more MUAVs. This feature introduces a previous optimization step before path planning. After that, the ACPP problem is theorized and a set of ACPP algorithms to compute the MUAVs trajectories are proposed. The problem addressed herein is the problem to coverage a wide area by using MUAVs with limited autonomy. Therefore, the mission must be accomplished in the shortest amount of time. The aerial survey is usually subject to a set of workspace restrictions, such as the take-off and landing positions as well as a safety distance between elements of the fleet. Moreover, it has to avoid forbidden zones to y. Three different algorithms have been studied to address this problem. The approaches studied are based on graph searching, heuristic and meta-heuristic approaches, e.g., mimic, evolutionary. Finally, an extended survey of field experiments applying the previous methods, as well as the materials and methods adopted in outdoor missions is presented. The reported outcomes demonstrate that the findings attained from this thesis improve ACPP mission for mapping purpose in an efficient and safe manner.

Cognitive risk perception system for obstacle avoidance in outdoor mUAV missions

La robótica ha evolucionado exponencialmente en las últimas décadas, permitiendo a los sistemas actuales realizar tareas sumamente complejas con gran precisión, fiabilidad y velocidad. Sin embargo, este desarrollo ha estado asociado a un mayor grado de especialización y particularización de las tecnologías implicadas, siendo estas muy eficientes en situaciones concretas y controladas, pero incapaces en entornos cambiantes, dinámicos y desestructurados. Por eso, el desarrollo de la robótica debe pasar por dotar a los sistemas de capacidad de adaptación a las circunstancias, de entendedimiento sobre los cambios observados y de flexibilidad a la hora de interactuar con el entorno. Estas son las caracteristicas propias de la interacción del ser humano con su entorno, las que le permiten sobrevivir y las que pueden proporcionar a un sistema inteligencia y capacidad suficientes para desenvolverse en un entorno real de forma autónoma e independiente. Esta adaptabilidad es especialmente importante en el manejo de riesgos e incetidumbres, puesto que es el mecanismo que permite contextualizar y evaluar las amenazas para proporcionar una respuesta adecuada. Así, por ejemplo, cuando una persona se mueve e interactua con su entorno, no evalúa los obstáculos en función de su posición, velocidad o dinámica (como hacen los sistemas robóticos tradicionales), sino mediante la estimación del riesgo potencial que estos elementos suponen para la persona. Esta evaluación se consigue combinando dos procesos psicofísicos del ser humano: por un lado, la percepción humana analiza los elementos relevantes del entorno, tratando de entender su naturaleza a partir de patrones de comportamiento, propiedades asociadas u otros rasgos distintivos. Por otro lado, como segundo nivel de evaluación, el entendimiento de esta naturaleza permite al ser humano conocer/estimar la relación de los elementos con él mismo, así como sus implicaciones en cuanto a nivel de riesgo se refiere. El establecimiento de estas relaciones semánticas -llamado cognición- es la única forma de definir el nivel de riesgo de manera absoluta y de generar una respuesta adecuada al mismo. No necesariamente proporcional, sino coherente con el riesgo al que se enfrenta. La investigación que presenta esta tesis describe el trabajo realizado para trasladar esta metodología de análisis y funcionamiento a la robótica. Este se ha centrado especialmente en la nevegación de los robots aéreos, diseñando e implementado procedimientos de inspiración humana para garantizar la seguridad de la misma. Para ello se han estudiado y evaluado los mecanismos de percepción, cognición y reacción humanas en relación al manejo de riesgos. También se ha analizado como los estímulos son capturados, procesados y transformados por condicionantes psicológicos, sociológicos y antropológicos de los seres humanos. Finalmente, también se ha analizado como estos factores motivan y descandenan las reacciones humanas frente a los peligros. Como resultado de este estudio, todos estos procesos, comportamientos y condicionantes de la conducta humana se han reproducido en un framework que se ha estructurado basadandose en factores análogos. Este emplea el conocimiento obtenido experimentalmente en forma de algoritmos, técnicas y estrategias, emulando el comportamiento humano en las mismas circunstancias. Diseñado, implementeado y validado tanto en simulación como con datos reales, este framework propone una manera innovadora -tanto en metodología como en procedimiento- de entender y reaccionar frente a las amenazas potenciales de una misión robótica. ABSTRACT Robotics has undergone a great revolution in the last decades. Nowadays this technology is able to perform really complex tasks with a high degree of accuracy and speed, however this is only true in precisely defined situations with fully controlled variables. Since the real world is dynamic, changing and unstructured, flexible and non context-dependent systems are required. The ability to understand situations, acknowledge changes and balance reactions is required by robots to successfully interact with their surroundings in a fully autonomous fashion. In fact, it is those very processes that define human interactions with the environment. Social relationships, driving or risk/incertitude management... in all these activities and systems, context understanding and adaptability are what allow human beings to survive: contrarily to the traditional robotics, people do not evaluate obstacles according to their position but according to the potential risk their presence imply. In this sense, human perception looks for information which goes beyond location, speed and dynamics (the usual data used in traditional obstacle avoidance systems). Specific features in the behaviour of a particular element allows the understanding of that element’s nature and therefore the comprehension of the risk posed by it. This process defines the second main difference between traditional obstacle avoidance systems and human behaviour: the ability to understand a situation/scenario allows to get to know the implications of the elements and their relationship with the observer. Establishing these semantic relationships -named cognition- is the only way to estimate the actual danger level of an element. Furthermore, only the application of this knowledge allows the generation of coherent, suitable and adjusted responses to deal with any risk faced. The research presented in this thesis summarizes the work done towards translating these human cognitive/reasoning procedures to the field of robotics. More specifically, the work done has been focused on employing human-based methodologies to enable aerial robots to navigate safely. To this effect, human perception, cognition and reaction processes concerning risk management have been experimentally studied; as well as the acquisition and processing of stimuli. How psychological, sociological and anthropological factors modify, balance and give shape to those stimuli has been researched. And finally, the way in which these factors motivate the human behaviour according to different mindsets and priorities has been established. This associative workflow has been reproduced by establishing an equivalent structure and defining similar factors and sources. Besides, all the knowledge obtained experimentally has been applied in the form of algorithms, techniques and strategies which emulate the analogous human behaviours. As a result, a framework capable of understanding and reacting in response to stimuli has been implemented and validated.

Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnología de las máquinas móviles autónomas ha sido objeto de una gran investigación y desarrollo en las últimas décadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploración planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los científicos. La reciente exploración de Marte con robots autónomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnologías. Desde la invención de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los vehículos para exploración planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo diseño de un robot con patas o maquina andante que ofrecerá claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirtiéndolo en una elección perfecta para misiones planetarias. Se presenta una reseña histórica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploración planetaria. A través de este estudio será posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El diseño propuesto de robot con patas será presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opción. En esta tesis se presenta el diseño mecánico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el diseño mecánico es necesario realizar un análisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot serán validadas por dos métodos: cinemático y dinámico. Dos códigos Matlab® han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer método, un modelo de elementos finitos, que también verifica el diseño mecánico. El robot con patas presentado, ha sido diseñado para la exploración planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos será probado mediante un código de Matlab®, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el número y altura de los obstáculos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que están basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), esta basado en el diseño mecánico y análisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab® codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab® code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.