Contribution to the analysis and design of reflectarray antennas for reconfigurable beam applications at frequencies above 100 GHz using liquid crystal technology

El trabajo contenido en esta tesis doctoral está encuadrado en el desarrollo de antenas reconfigurables electrónicamente capaces de proporcionar prestaciones competitivas a las aplicaciones cada vez más comunes que operan a frecuencias superiores a 60 GHz. En concreto, esta tesis se centra en el estudio, diseño, e implementación de las antenas reflectarray, a las que se introduce la tecnología de cristal líquido como elemento característico con el que se consigue reconfigurabilidad de haz de forma electrónica. Desde un punto de vista muy general, se puede describir un cristal líquido como un material cuya permitividad eléctrica es variable y controlada por una excitación externa, que generalmente suele corresponderse con un campo eléctrico quasi-estático (AC). Las antenas reflectarray de cristal líquido se han escogido como objeto de estudio por varias razones. La primera de ellas tiene que ver con las ventajas que los reflectarrays, y en especial aquellos realizados en configuración planar, proporcionan con respecto a otras antenas de alta ganancia como los reflectores o los “phased-arrays”. En los reflectarrays, la alimentación a través de una fuente primaria común (característica de reflectores) y el elevado número de grados de libertad de las celdas que los componen (característica de arrays) hacen que estas antenas puedan proporcionar prestaciones eléctricas iguales o mejores que las anteriores, a un coste más reducido y con estructuras de antena más compactas. La segunda razón radica en la flexibilidad que ofrece el cristal líquido a ser confinado y polarizado en recintos de geometría variada, como consecuencia de su fluidez (propiedad de los líquidos). Por ello, la tecnología de cristal líquido permite que el propio elemento reconfigurable en las celdas de reflectarray se adapte a la configuración planar de manera que en sí mismo, el cristal líquido sea una o varias de las capas características de esta configuración. Esto simplifica de forma drástica la estructura y la fabricación de este tipo de antenas, incluso si se comparan con reflectarrays reconfigurables basados en otras tecnologías como diodos, MEMS, etc. Por tanto, su coste y desarrollo es muy reducido, lo que hace que se puedan fabricar reflectarrays reconfigurables eléctricamente grandes, a bajo coste, y en producción elevada. Un ejemplo claro de una estructura similar, y que ha tenido éxito comercial, son las pantallas de cristal líquido. La tercera razón reside en el hecho de que el cristal líquido es, hasta la fecha, de las pocas tecnologías capaces de ofrecer reconfigurabilidad del haz a frecuencias superiores a 60 GHz. De hecho, el cristal líquido permite reconfigurabilidad en un amplio margen de frecuencias, que va desde DC a frecuencias del espectro visible, incluyendo las microondas y los THz. Otras tecnologías, como los materiales ferroeléctricos, el grafeno o la tecnología CMOS “on chip” permiten también conmutar el haz en estas frecuencias. Sin embargo, la tecnología CMOS tiene un elevado coste y actualmente está limitada a frecuencias inferiores a 150 GHz, y aunque los materiales ferroeléctricos o el grafeno puedan conmutar a frecuencias más altas y en un rango más amplio, tienen serias dificultades que los hacen aún inmaduros. En el caso de los materiales ferroeléctricos, los elevados voltajes para conmutar el material los hacen poco atractivos, mientras que en el caso del grafeno, su modelado aún está en discusión, y todavía no se han arrojado resultados experimentales que validen su idoneidad. Estas tres razones hacen que los reflectarrays basados en cristal líquido sean atractivos para multitud de aplicaciones de haz reconfigurable a frecuencias superiores a 60 GHz. Aplicaciones como radar de escaneo de imágenes de alta resolución, espectroscopia molecular, radiómetros para observación atmosférica, o comunicaciones inalámbricas de alta frecuencia (WiGig) son algunas de ellas. La tesis está estructurada en tres partes. En la primera de ellas se describen las características más comunes de los cristales líquidos, centrándonos en detalle en aquellas propiedades ofrecidas por este material en fase nemática. En concreto, se estudiará la anisotropía dieléctrica (Ae) de los cristales líquidos uniaxiales, que son los que se emplean en esta tesis, definida como la diferencia entre la permitividad paralela (£//) y la perpendicular (e±): Ae = e,, - e±. También se estudiará la variación de este parámetro (Ae) con la frecuencia, y el modelado electromagnético macroscópico más general que, extraído a partir de aquella, permite describir el cristal líquido para cada tensión de polarización en celdas de geometría planar. Este modelo es de suma importancia para garantizar precisión en el desfasaje proporcionado por las diferentes celdas reconfigurables para reflectarrays que se describirán en la siguiente parte de la tesis. La segunda parte de la tesis se centra en el diseño de celdas reflectarray resonantes basadas en cristal líquido. La razón por la que se escogen estos tipos de celdas reside en el hecho de que son las únicas capaces de proporcionar rangos de fase elevados ante la reducida anisotropía dieléctrica que ofrecen los cristales líquidos. El objetivo de esta parte trata, por tanto, de obtener estructuras de celdas reflectarray que sean capaces de proporcionar buenas prestaciones eléctricas a nivel de antena, mejorando sustancialmente las prestaciones de las celdas reportadas en el estado del arte, así como de desarrollar una herramienta de diseño general para aquellas. Para ello, se estudian las prestaciones eléctricas de diferentes tipos de elementos resonantes de cristal líquido que van, desde el más sencillo, que ha limitado el estado de la técnica hasta el desarrollo de esta tesis y que está formado por un sólo resonador, a elementos que constan de varios resonadores (multi-resonantes) y que pueden ser monocapa o multicapa. En un primer paso, el procedimiento de diseño de estas estructuras hace uso de un modelo convencional de cristal líquido que ha venido siendo usado en el estado del arte para este tipo de celdas, y que considera el cristal líquido como un material homogéneo e isótropo cuya permitividad varía entre (e/7) y (e±). Sin embargo, en esta parte de la tesis se demuestra que dicho modelado no es suficiente para describir de forma genérica el comportamiento del cristal líquido en las celdas tipo reflectarray. En la tesis se proponen procedimientos más exactos para el análisis y diseño basados en un modelo más general que define el cristal líquido como un material anisótropo e inhomogeneo en tres dimensiones, y se ha implementado una técnica que permite optimizar celdas multi-resonantes de forma eficiente para conseguir elevadas prestaciones en cuanto a ancho de banda, rango de fase, pérdidas, o sensibilidad al ángulo de incidencia. Los errores cometidos en el uso del modelado convencional a nivel de celda (amplitud y fase) se han analizado para varias geometrías, usando medidas de varios prototipos de antena que usan un cristal líquido real a frecuencias superiores a 100 GHz. Las medidas se han realizado en entorno periódico mediante un banco cuasi-óptico, que ha sido diseñado especialmente para este fin. Uno de estos prototipos se ha optimizado a 100 GHz para conseguir un ancho de banda relativamente elevado (10%), pérdidas reducidas, un rango de fase mayor de 360º, baja sensibilidad al ángulo de incidencia, y baja influencia de la inhomogeneidad transversal del cristal líquido en la celda. Estas prestaciones a nivel de celda superan de forma clara aquellas conseguidas por otros elementos que se han reportado en la literatura, de manera que dicho prototipo se ha usado en la última parte de la tesis para realizar diversas antenas de barrido. Finalmente, en esta parte se presenta una estrategia de caracterización de la anisotropía macroscópica a partir de medidas de los elementos de reflectarray diseñados en banco cuasi-óptico, obteniendo resultados tanto en las frecuencias de interés en RF como en AC, y comparándolas con aquellas obtenidas mediante otros métodos. La tercera parte de la tesis consiste en el estudio, diseño, fabricación y medida de antenas reconfigurables basadas en cristal líquido en configuraciones complejas. En reflectarrays pasivos, el procedimiento de diseño de la antena se limita únicamente al ajuste en cada celda de la antena de las dimensiones de las metalizaciones que se emplean para el control de fase, mediante procesos de optimización bien conocidos. Sin embargo, en el caso de reflectarrays reconfigurables basados en cristal líquido, resulta necesario un paso adicional, que consiste en calcular de forma adecuada las tensiones de control en cada celda del reflectarray para configurar la fase requerida en cada una de ellas, así como diseñar la estructura y los circuitos de control que permitan direccionar a cada elemento su tensión correspondiente. La síntesis de tensiones es por tanto igual o más importante que el diseño de la geometría de las celdas, puesto que éstas son las que están directamente relacionadas con la fase. En el estado del arte, existen varias estrategias de síntesis de tensiones que se basan en la caracterización experimental de la curva de fase respecto al voltaje. Sin embargo, esta caracterización sólo puede hacerse a un solo ángulo de incidencia y para unas determinadas dimensiones de celda, lo que produce que las tensiones sintetizadas sean diferentes de las adecuadas, y en definitiva que se alcancen errores de fase mayores de 70º. De esta forma, hasta la fecha, las prestaciones a nivel de antena que se han conseguido son reducidas en cuanto a ancho de banda, rango de escaneo o nivel de lóbulos secundarios. En esta última parte de la tesis, se introduce una nueva estrategia de síntesis de tensiones que es capaz de predecir mediante simulaciones, y con alta precisión, las tensiones que deben introducirse en cada celda teniendo en cuenta su ángulo de incidencia, sus dimensiones, la frecuencia, así como la señal de polarización definida por su frecuencia y forma de onda AC. Esta estrategia se basa en modelar cada uno de los estados de permitividad del cristal líquido como un sustrato anisótropo con inhomogeneidad longitudinal (1D), o en ciertos casos, como un tensor equivalente homogéneo. La precisión de ambos modelos electromagnéticos también se discute. Con el objetivo de obtener una herramienta eficiente de cálculo de tensiones, también se ha escrito e implementado una herramienta de análisis basada en el Método de los Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) para sustratos estratificados anisótropos, que se usa en cada iteración del procedimiento de síntesis para analizar cada una de las celdas de la antena. La síntesis de tensiones se ha diseñado además para reducir al máximo el efecto del rizado de amplitud en el diagrama de radiación, que es característico en los reflectarrays que están formados por celdas con pérdidas elevadas, lo que en sí, supone un avance adicional para la obtención de mejores prestaciones de antena. Para el cálculo de los diagramas de radiación empleados en el procedimiento de síntesis, se asume un análisis elemento a elemento considerando periodicidad local, y se propone el uso de un método capaz de modelar el campo incidente de forma que se elimine la limitación de la periodicidad local en la excitación. Una vez definida la estrategia adecuada de cálculo de las tensiones a aplicar al cristal líquido en cada celda, la estructura de direccionamiento de las mismas en la antena, y diseñados los circuitos de control, se diseñan, fabrican y miden dos prototipos diferentes de antena de barrido electrónico a 100 GHz usando las celdas anteriormente presentadas. El primero de estos prototipos es un reflectarray en configuración “single offset” con capacidad de escaneo en un plano (elevación o azimut). Aunque previamente se realizan diseños de antenas de barrido en 2D a varias frecuencias en el rango de milimétricas y sub-milimétricas, y se proponen ciertas estrategias de direccionamiento que permiten conseguir este objetivo, se desarrolla el prototipo con direccionamiento en una dimensión con el fin de reducir el número de controles y posibles errores de fabricación, y así también validar la herramienta de diseño. Para un tamaño medio de apertura (con un numero de filas y columnas entre 30 y 50 elementos, lo que significa un reflectarray con un número de elementos superior a 900), la configuración “single offset” proporciona rangos de escaneo elevados, y ganancias que pueden oscilar entre los 20 y 30 dBi. En concreto, el prototipo medido proporciona un haz de barrido en un rango angular de 55º, en el que el nivel de lóbulos secundarios (SLL) permanece mejor de -13 dB en un ancho de banda de un 8%. La ganancia máxima es de 19.4 dBi. Estas prestaciones superan de forma clara aquellas conseguidas por otros autores. El segundo prototipo se corresponde con una antena de doble reflector que usa el reflectarray de cristal líquido como sub-reflector para escanear el haz en un plano (elevación o azimut). El objetivo básico de esta geometría es obtener mayores ganancias que en el reflectarray “single offset” con una estructura más compacta, aunque a expensas de reducir el rango de barrido. En concreto, se obtiene una ganancia máxima de 35 dBi, y un rango de barrido de 12º. Los procedimientos de síntesis de tensiones y de diseño de las estructuras de las celdas forman, en su conjunto, una herramienta completa de diseño precisa y eficiente de antenas reflectarray reconfigurables basados en cristales líquidos. Dicha herramienta se ha validado mediante el diseño, la fabricación y la medida de los prototipos anteriormente citados a 100 GHz, que consiguen algo nunca alcanzado anteriormente en la investigación de este tipo de antenas: unas prestaciones competitivas y una predicción excelente de los resultados. El procedimiento es general, y por tanto se puede usar a cualquier frecuencia en la que el cristal líquido ofrezca anisotropía dieléctrica, incluidos los THz. Los prototipos desarrollados en esta tesis doctoral suponen también unas de las primeras antenas de barrido real a frecuencias superiores a 100 GHz. En concreto, la antena de doble reflector para escaneo de haz es la primera antena reconfigurable electrónicamente a frecuencias superiores a 60 GHz que superan los 25 dBi de ganancia, siendo a su vez la primera antena de doble reflector que contiene un reflectarray reconfigurable como sub-reflector. Finalmente, se proponen ciertas mejoras que aún deben se deben realizar para hacer que estas antenas puedan ser un producto completamente desarrollado y competitivo en el mercado. ABSTRACT The work presented in this thesis is focused on the development of electronically reconfigurable antennas that are able to provide competitive electrical performance to the increasingly common applications operating at frequencies above 60 GHz. Specifically, this thesis presents the study, design, and implementation of reflectarray antennas, which incorporate liquid crystal (LC) materials to scan or reconfigure the beam electronically. From a general point of view, a liquid crystal can be defined as a material whose dielectric permittivity is variable and can be controlled with an external excitation, which usually corresponds with a quasi-static electric field (AC). By changing the dielectric permittivity at each cell that makes up the reflectarray, the phase shift on the aperture is controlled, so that a prescribed radiation pattern can be configured. Liquid Crystal-based reflectarrays have been chosen for several reasons. The first has to do with the advantages provided by the reflectarray antenna with respect to other high gain antennas, such as reflectors or phased arrays. The RF feeding in reflectarrays is achieved by using a common primary source (as in reflectors). This arrangement and the large number of degrees of freedom provided by the cells that make up the reflectarray (as in arrays), allow these antennas to provide a similar or even better electrical performance than other low profile antennas (reflectors and arrays), but assuming a more reduced cost and compactness. The second reason is the flexibility of the liquid crystal to be confined in an arbitrary geometry due to its fluidity (property of liquids). Therefore, the liquid crystal is able to adapt to a planar geometry so that it is one or more of the typical layers of this configuration. This simplifies drastically both the structure and manufacture of this type of antenna, even when compared with reconfigurable reflectarrays based on other technologies, such as diodes MEMS, etc. Therefore, the cost of developing this type of antenna is very small, which means that electrically large reconfigurable reflectarrays could be manufactured assuming low cost and greater productions. A paradigmatic example of a similar structure is the liquid crystal panel, which has already been commercialized successfully. The third reason lies in the fact that, at present, the liquid crystal is one of the few technologies capable of providing switching capabilities at frequencies above 60 GHz. In fact, the liquid crystal allows its permittivity to be switched in a wide range of frequencies, which are from DC to the visible spectrum, including microwaves and THz. Other technologies, such as ferroelectric materials, graphene or CMOS "on chip" technology also allow the beam to be switched at these frequencies. However, CMOS technology is expensive and is currently limited to frequencies below 150 GHz, and although ferroelectric materials or graphene can switch at higher frequencies and in a wider range, they have serious difficulties that make them immature. Ferroelectric materials involve the use of very high voltages to switch the material, making them unattractive, whereas the electromagnetic modelling of the graphene is still under discussion, so that the experimental results of devices based on this latter technology have not been reported yet. These three reasons make LC-based reflectarrays attractive for many applications that involve the use of electronically reconfigurable beams at frequencies beyond 60 GHz. Applications such as high resolution imaging radars, molecular spectroscopy, radiometers for atmospheric observation, or high frequency wireless communications (WiGig) are just some of them. This thesis is divided into three parts. In the first part, the most common properties of the liquid crystal materials are described, especially those exhibited in the nematic phase. The study is focused on the dielectric anisotropy (Ac) of uniaxial liquid crystals, which is defined as the difference between the parallel (e/7) and perpendicular (e±) permittivities: Ae = e,, - e±. This parameter allows the permittivity of a LC confined in an arbitrary volume at a certain biasing voltage to be described by solving a variational problem that involves both the electrostatic and elastic energies. Thus, the frequency dependence of (Ae) is also described and characterised. Note that an appropriate LC modelling is quite important to ensure enough accuracy in the phase shift provided by each cell that makes up the reflectarray, and therefore to achieve a good electrical performance at the antenna level. The second part of the thesis is focused on the design of resonant reflectarray cells based on liquid crystal. The reason why resonant cells have been chosen lies in the fact that they are able to provide enough phase range using the values of the dielectric anisotropy of the liquid crystals, which are typically small. Thus, the aim of this part is to investigate several reflectarray cell architectures capable of providing good electrical performance at the antenna level, which significantly improve the electrical performance of the cells reported in the literature. Similarly, another of the objectives is to develop a general tool to design these cells. To fulfill these objectives, the electrical yields of different types of resonant reflectarray elements are investigated, beginning from the simplest, which is made up of a single resonator and limits the state of the art. To overcome the electrical limitations of the single resonant cell, several elements consisting of multiple resonators are considered, which can be single-layer or multilayer. In a first step, the design procedure of these structures makes use of a conventional electromagnetic model which has been used in the literature, which considers that the liquid crystal behaves as homogeneous and isotropic materials whose permittivity varies between (e/7) y (e±). However, in this part of the thesis it is shown that the conventional modelling is not enough to describe the physical behaviour of the liquid crystal in reflectarray cells accurately. Therefore, a more accurate analysis and design procedure based on a more general model is proposed and developed, which defines the liquid crystal as an anisotropic three-dimensional inhomogeneous material. The design procedure is able to optimize multi-resonant cells efficiently to achieve good electrical performance in terms of bandwidth, phase range, losses, or sensitivity to the angle of incidence. The errors made when the conventional modelling (amplitude and phase) is considered have been also analysed for various cell geometries, by using measured results from several antenna prototypes made up of real liquid crystals at frequencies above 100 GHz. The measurements have been performed in a periodic environment using a quasi-optical bench, which has been designed especially for this purpose. One of these prototypes has been optimized to achieve a relatively large bandwidth (10%) at 100 GHz, low losses, a phase range of more than 360º, a low sensitivity to angle of incidence, and a low influence of the transversal inhomogeneity of the liquid crystal in the cell. The electrical yields of this prototype at the cell level improve those achieved by other elements reported in the literature, so that this prototype has been used in the last part of the thesis to perform several complete antennas for beam scanning applications. Finally, in this second part of the thesis, a novel strategy to characterise the macroscopic anisotropy using reflectarray cells is presented. The results in both RF and AC frequencies are compared with those obtained by other methods. The third part of the thesis consists on the study, design, manufacture and testing of LCbased reflectarray antennas in complex configurations. Note that the design procedure of a passive reflectarray antenna just consists on finding out the dimensions of the metallisations of each cell (which are used for phase control), using well-known optimization processes. However, in the case of reconfigurable reflectarrays based on liquid crystals, an additional step must be taken into account, which consists of accurately calculating the control voltages to be applied to each cell to configure the required phase-shift distribution on the surface of the antenna. Similarly, the structure to address the voltages at each cell and the control circuitry must be also considered. Therefore, the voltage synthesis is even more important than the design of the cell geometries (dimensions), since the voltages are directly related to the phase-shift. Several voltage synthesis procedures have been proposed in the state of the art, which are based on the experimental characterization of the phase/voltage curve. However, this characterization can be only carried out at a single angle of incidence and at certain cell dimensions, so that the synthesized voltages are different from those needed, thus giving rise to phase errors of more than 70°. Thus, the electrical yields of the LCreflectarrays reported in the literature are limited in terms of bandwidth, scanning range or side lobes level. In this last part of the thesis, a new voltage synthesis procedure has been defined and developed, which allows the required voltage to be calculated at each cell using simulations that take into account the particular dimensions of the cells, their angles of incidence, the frequency, and the AC biasing signal (frequency and waveform). The strategy is based on the modelling of each one of the permittivity states of the liquid crystal as an anisotropic substrate with longitudinal inhomogeneity (1D), or in certain cases, as an equivalent homogeneous tensor. The accuracy of both electromagnetic models is also discussed. The phase errors made by using the proposed voltage synthesis are better than 7º. In order to obtain an efficient tool to analyse and design the reflectarray, an electromagnetic analysis tool based on the Method of Moments in the spectral domain (SD-MoM) has also written and developed for anisotropic stratified media, which is used at each iteration of the voltage synthesis procedure. The voltage synthesis is also designed to minimize the effect of amplitude ripple on the radiation pattern, which is typical of reflectarrays made up of cells exhibiting high losses and represents a further advance in achieving a better antenna performance. To calculate the radiation patterns used in the synthesis procedure, an element-by-element analysis is assumed, which considers the local periodicity approach. Under this consideration, the use of a novel method is proposed, which avoids the limitation that the local periodicity imposes on the excitation. Once the appropriate strategy to calculate the voltages to be applied at each cell is developed, and once it is designed and manufactured both the structure to address the voltages to the antenna and the control circuits, two complete LC-based reflectarray antennas that operate at 100 GHz have been designed, manufactured and tested using the previously presented cells. The first prototype consists of a single offset reflectarray with beam scanning capabilities on one plane (elevation and azimuth). Although several LC-reflectarray antennas that provide 2-D scanning capabilities are also designed, and certain strategies to achieve the 2-D addressing of the voltage are proposed, the manufactured prototype addresses the voltages in one dimension in order to reduce the number of controls and manufacturing errors, and thereby validating the design tool. For an average aperture size (with a number of rows and columns of between 30 and 50 elements, which means a reflectarray with more than 900 cells), the single offset configuration provides an antenna gain of between 20 and 30 dBi and a large scanning range. The prototype tested at 100 GHz exhibits an electronically scanned beam in an angular range of 55º and 8% of bandwidth, in which the side lobe level (SLL) remains better than -13 dB. The maximum gain is 19.4 dBi. The electrical performance of the antenna is clearly an improvement on those achieved by other authors in the state of the art. The second prototype corresponds to a dual reflector antenna with a liquid crystal-based reflectarray used as a sub-reflector for beam scanning in one plane (azimuth or elevation). The main objective is to obtain a higher gain than that provided by the single offset configuration, but using a more compact architecture. In this case, a maximum gain of 35 dBi is achieved, although at the expense of reducing the scanning range to 12°, which is inherent in this type of structure. As a general statement, the voltage synthesis and the design procedure of the cells, jointly make up a complete, accurate and efficient design tool of reconfigurable reflectarray antennas based on liquid crystals. The tool has been validated by testing the previously mentioned prototypes at 100 GHz, which achieve something never reached before for this type of antenna: a competitive electrical performance, and an excellent prediction of the results. The design procedure is general and therefore can be used at any frequency for which the liquid crystal exhibits dielectric anisotropy. The two prototypes designed, manufactured and tested in this thesis are also some of the first antennas that currently operate at frequencies above 100 GHz. In fact, the dual reflector antenna is the first electronically scanned dual reflector antenna at frequencies above 60 GHz (the operation frequency is 100 GHz) with a gain greater than 25 dBi, being in turn the first dual-reflector antenna with a real reconfigurable sub-reflectarray. Finally, some improvements that should be still investigated to make these antennas commercially competitive are proposed.

Simulación de maniobras de buques con sistemas de propulsión no convencional en aguas poco profundas

Los requisitos cada vez más exigentes en cuanto a misiones, limitaciones operacionales y ambientales así como nuevas tecnologías, imponen permanentemente retos a los arquitectos navales para generar alternativas de buques y valorar su bondad en las primeras etapas del proyecto. Este es el caso de los Buques Patrulleros de Apoyo Fluvial Pesados PAF-P, que por requerimiento de la Armada Nacional de Colombia ha diseñado y construido COTECMAR. Los PAF-P, son buques fluviales cuya relación Manga-Calado excede la mayoría de los buques existentes (B/T=9,5), debido principalmente a las restricciones en el calado a consecuencia de la escasa profundidad de los ríos. Estos buques están equipados con sistemas de propulsión acimutales tipo “Pum-Jet”. Las particularidades del buque y del ambiente operacional, caracterizado por ríos tropicales con una variabilidad de profundidad dependiente del régimen de lluvias y sequía, así como la falta de canalización y la corriente, hacen que la maniobrabilidad y controlabilidad sean fundamentales para el cumplimiento de su misión; adicionalmente, no existen modelos matemáticos validados que permitan predecir en las primeras etapas del diseño la maniobrabilidad de este tipo de buques con los efectos asociados por profundidad. La presente tesis doctoral aborda el desarrollo de un modelo matemático para simulación de maniobrabilidad en aguas poco profundas de buques con relación manga-calado alta y con propulsores acimutales tipo “Pump-Jet”, cuyo chorro además de entregar el empuje necesario para el avance del buque, genera la fuerza de gobierno en función del ángulo de orientación del mismo, eliminando la necesidad de timones. El modelo matemático ha sido validado mediante los resultados obtenidos en las pruebas de maniobrabilidad a escala real del PAF-P, a través de la comparación de trayectorias, series temporales de las variables de estado más significativas y parámetros del círculo evolutivo como son diámetro de giro, diámetro táctico, avance y transferencia. El plan de pruebas se basó en técnicas de Diseño de Experimentos “DOE” para racionalizar el número de corridas en diferentes condiciones de profundidad, velocidad y orientación del chorro (ángulo de timón). En el marco de la presente investigación y para minimizar los errores por efectos ambientales y por inexactitud en los instrumentos de medición, se desarrolló un sistema de adquisición y procesamiento de datos de acuerdo con los lineamientos de ITTC. La literatura existente describe los efectos negativos de la profundidad en los parámetros de maniobrabilidad de buques convencionales (Efecto tipo S), principalmente las trayectorias descritas en los círculos evolutivos aumentan en la medida que disminuye la profundidad; no obstante, en buques de alta relación manga-calado, B/T=7,51 (Yoshimura, y otros, 1.988) y B/T=6,38 (Yasukawa, y otros, 1.995) ha sido reportado el efecto contrario (Efecto tipo NS Non Standart). Este último efecto sin embargo, ha sido observado mediante experimentación con modelos a escala pero no ha sido validado en pruebas de buques a escala real. El efecto tipo NS en buques dotados con hélice y timones, se atribuye al mayor incremento de la fuerza del timón comparativamente con las fuerzas del casco en la medida que disminuye la profundidad; en el caso de estudio, el fenómeno está asociado a la mejor eficiencia de la bomba de agua “Pump-Jet”, debido a la resistencia añadida en el casco por efecto de la disminución de la profundidad. Los resultados de las pruebas con buque a escala real validan el excelente desempeño de esta clase de buques, cumpliendo en exceso los criterios de maniobrabilidad existentes y muestran que el diámetro de giro y otras características de maniobrabilidad mejoran con la disminución de la profundidad en buques con alta relación manga-calado. ABSTRACT The increasingly demanding requirements in terms of missions, operational and environmental constraints as well as new technologies, constantly impose challenges to naval architects to generate alternatives and asses their performance in the early stages of design. That is the case of Riverine Support Patrol Vessel (RSPV), designed and built by COTECMAR for the Colombian Navy. RSPV are riverine ships with a Beam-Draft ratio exceeding most of existing ships (B/T=9,5), mainly due to the restrictions in draft as a result of shallow water environment. The ships are equipped with azimuthal propulsion system of the “Pump-Jet” type. The peculiarities of the ship and the operational environment, characterized by tropical rivers of variable depth depending on the rain and dry seasons, as well as the lack channels and the effect of water current, make manoeuvrability and controllability fundamental to fulfill its mission; on the other hand, there are not validated mathematical models available to predict the manoeuvrability of such ships with the associated water depth effects in the early stages of design. This dissertation addresses the development of a mathematical model for shallow waters’ manoeuvrability simulation of ships with high Beam-Draft ratio and azimuthal propulsion systems type “Pump-Jet”, whose stream generates the thrust required by the ship to advance and also the steering force depending on the orientation angle, eliminating the need of rudders. The mathematical model has been validated with the results of RSPV’s full scale manoeuvring tests, through a comparison of paths, time series of state variables and other parameters taken from turning tests, such as turning diameter, tactical diameter, advance and transfer. The test plan was developed applying techniques of Design of Experiments “DOE”, in order to rationalize the number of runs in different conditions of water depth, ship speed and jet stream orientation (rudder angle). A data acquisition and processing system was developed, following the guidelines of ITTC, as part of this research effort, in order to minimize errors by environmental effects and inaccuracy in measurement instruments, The negative effects of depth on manoeuvrability parameters for conventional ships (Effect Type S: the path described by the ship during turning test increase with decrease of water depth), has been documented in the open literature; however for wide-beam ships, B/T=7,51 (Yoshimura, y otros, 1.988) and B/T=6,38 (Yasukawa, y otros, 1.995) has been reported the opposite effect (Type NS). The latter effect has been observed thru model testing but until now had not been validated with full-scale results. In ships with propellers and rudders, type NS effect is due to the fact that increment of rudder force becomes larger than hull force with decrease of water depth; in the study case, the phenomenon is associated with better efficiency of the Pump-Jet once the vessel speed becomes lower, due to hull added resistance by the effect of the decrease of water depth. The results of full scale tests validates the excellent performance of this class of ships, fulfilling the manoeuvrability criteria in excess and showing that turning diameter and other parameters in high beam-draft ratio vessels do improve with the decrease of depth.

Diseño de un modelo para la identificación y análisis de tramos de carreteras sin accidentes : una nueva visión de la seguridad vial

El planteamiento tradicional de análisis de la accidentalidad en carretera pasa por la consideración de herramientas paliativas, como son la identificación y gestión de los puntos negros o tramos de concentración de accidentes, o preventivas, como las auditorías e inspecciones de seguridad vial. En esta tesis doctoral se presenta un planteamiento complementario a estas herramientas, desde una perspectiva novedosa: la consideración de los tramos donde no se producen accidentes; son los denominados Tramos Blancos. La tesis persigue demostrar que existen determinados parámetros del diseño de las carreteras y del tráfico que, bajo características generales similares de las vías, tienen influencia en el hecho de que se produzcan o no accidentes, adicionalmente a la exposición al riesgo, como factor principal, y a otros factores. La propia definición de los Tramos Blancos, entendidos como tramos de carreteras de longitud representativa donde no se han producido accidentes con víctimas mortales o heridos graves durante un periodo largo de tiempo, garantiza que esta situación no se produzca como consecuencia de la aleatoriedad de los accidentes, sino que pudiera deberse a una confluencia específica de determinados parámetros de la geometría de la vía y del tráfico total y de vehículos pesados. Para el desarrollo de esta investigación se han considerado la red de autopistas de peaje y las carreteras convencionales de la Red del Estado de España, que supone un total de 17.000 kilómetros, y los datos de accidentes con víctimas mortales y heridos graves en el periodo 2006-2010, ambos incluidos, en estas redes (un total de 10.000 accidentes). La red viaria objeto de análisis supone el 65% de la longitud de la Red de Carreteras del Estado, por la que circula el 33% de su tráfico; en ella se produjeron en el año 2013 el 47% de los accidentes con víctimas y el 60% de las víctimas mortales de la Red de Carreteras del Estado. Durante la investigación se ha desarrollado una base de datos de 250.130 registros y más de 3.5 millones de datos en el caso de las autopistas de peaje de la Red de Carreteras del Estado y de 935.402 registros y más de 14 millones de datos en el caso de la red convencional del Estado analizada. Tanto las autopistas de peaje como las carreteras convencionales han sido clasificadas según sus características de tráfico, de manera que se valoren vías con nivel de exposición al riesgo similar. Para cada tipología de vía, se ha definido como longitud de referencia para que un tramo se considere Tramo Blanco la longitud igual al percentil 95 de las longitudes de tramos sin accidentes con heridos graves o víctimas mortales durante el periodo 2006-2010. En el caso de las autopistas de peaje, en la tipología que ha sido considerada para la definición del modelo, esta longitud de referencia se estableció en 14.5 kilómetros, mientras que en el caso de las carreteras convencionales, se estableció en 7.75 kilómetros. Para cada uno de los tipos de vía considerados se han construido una base de datos en la que se han incluido las variables de existencia o no de Tramo Blanco, así como las variables de tráfico (intensidad media diaria total, intensidad de vehículos pesados y porcentaje de vehículos pesados ), la velocidad media y las variables de geometría (número de carriles, ancho de carril, ancho de arcén derecho e izquierdo, ancho de calzada y plataforma, radio, peralte, pendiente y visibilidad directa e inversa en los casos disponibles); como variables adicionales, se han incluido el número de accidentes con víctimas, los fallecidos y heridos graves, índices de peligrosidad, índices de mortalidad y exposición al riesgo. Los trabajos desarrollados para explicar la presencia de Tramos Blancos en la red de autopistas de peaje han permitido establecer las diferencias entre los valores medios de las variables de tráfico y diseño geométrico en Tramos Blancos respecto a tramos no blancos y comprobar que estas diferencias son significativas. Así mismo, se ha podido calibrar un modelo de regresión logística que explica parcialmente la existencia de Tramos Blancos, para rangos de tráfico inferiores a 10.000 vehículos diarios y para tráficos entre 10.000 y 15.000 vehículos diarios. Para el primer grupo (menos de 10.000 vehículos al día), las variables que han demostrado tener una mayor influencia en la existencia de Tramo Blanco son la velocidad media de circulación, el ancho de carril, el ancho de arcén izquierdo y el porcentaje de vehículos pesados. Para el segundo grupo (entre 10.000 y 15.000 vehículos al día), las variables independientes más influyentes en la existencia de Tramo Blanco han sido la velocidad de circulación, el ancho de calzada y el porcentaje de vehículos pesados. En el caso de las carreteras convencionales, los diferentes análisis realizados no han permitido identificar un modelo que consiga una buena clasificación de los Tramos Blancos. Aun así, se puede afirmar que los valores medios de las variables de intensidad de tráfico, radio, visibilidad, peralte y pendiente presentan diferencias significativas en los Tramos Blancos respecto a los no blancos, que varían en función de la intensidad de tráfico. Los resultados obtenidos deben considerarse como la conclusión de un análisis preliminar, dado que existen otros parámetros, tanto de diseño de la vía como de la circulación, el entorno, el factor humano o el vehículo que podrían tener una influencia en el hecho que se analiza, y no se han considerado por no disponer de esta información. En esta misma línea, el análisis de las circunstancias que rodean al viaje que el usuario de la vía realiza, su tipología y motivación es una fuente de información de interés de la que no se tienen datos y que permitiría mejorar el análisis de accidentalidad en general, y en particular el de esta investigación. Adicionalmente, se reconocen limitaciones en el desarrollo de esta investigación, en las que sería preciso profundizar en el futuro, reconociendo así nuevas líneas de investigación de interés. The traditional approach to road accidents analysis has been based in the use of palliative tools, such as black spot (or road sections) identification and management, or preventive tools, such as road safety audits and inspections. This thesis shows a complementary approach to the existing tools, from a new perspective: the consideration of road sections where no accidents have occurred; these are the so-called White Road Sections. The aim of this thesis is to show that there are certain design parameters and traffic characteristics which, under similar circumstances for roads, have influence in the fact that accidents occur, in addition to the main factor, which is the risk exposure, and others. White Road Sections, defined as road sections of a representative length, where no fatal accidents or accidents involving serious injured have happened during a long period of time, should not be a product of randomness of accidents; on the contrary, they might be the consequence of a confluence of specific parameters of road geometry, traffic volumes and heavy vehicles traffic volumes. For this research, the toll motorway network and single-carriageway network of the Spanish National Road Network have been considered, which is a total of 17.000 kilometers; fatal accidents and those involving serious injured from the period 2006-2010 have been considered (a total number of 10.000 accidents). The road network covered means 65% of the total length of the National Road Network, which allocates 33% of traffic volume; 47% of accidents with victims and 60% of fatalities happened in these road networks during 2013. During the research, a database of 250.130 registers and more than 3.5 million data for toll motorways and 935.042 registers and more than 14 million data for single carriageways of the National Road Network was developed. Both toll motorways and single-carriageways have been classified according to their traffic characteristics, so that the analysis is performed over roads with similar risk exposure. For each road type, a reference length for White Road Section has been defined, as the 95 percentile of all road sections lengths without accidents (with fatalities or serious injured) for 2006-2010. For toll motorways, this reference length concluded to be 14.5 kilometers, while for single-carriageways, it was defined as 7.75 kilometers. A detailed database was developed for each type of road, including the variable “existence of White Road Section”, as well as variables of traffic (average daily traffic volume, heavy vehicles average daily traffic and percentage of heavy vehicles from the total traffic volume), average speed and geometry variables (number of lanes, width of lane, width of shoulders, carriageway width, platform width, radius, superelevation, slope and visibility); additional variables, such as number of accidents with victims, number of fatalities or serious injured, risk and fatality rates and risk exposure, have also been included. Research conducted for the explanation of the presence of White Road Sections in the toll motorway network have shown statistically significant differences in the average values of variables of traffic and geometric design in White Road Sections compared with other road sections. In addition, a binary logistic model for the partial explanation of the presence of White Road Sections was developed, for traffic volumes lower than 10.000 daily vehicles and for those running from 10.000 to 15.000 daily vehicles. For the first group, the most influent variables for the presence of White Road Sections were the average speed, width of lane, width of left shoulder and percentage of heavy vehicles. For the second group, the most influent variables were found to be average speed, carriageway width and percentage of heavy vehicles. For single-carriageways, the different analysis developed did not reach a proper model for the explanation of White Road Sections. However, it can be assumed that the average values of the variables of traffic volume, radius, visibility, superelevation and slope show significant differences in White Road Sections if compared with others, which also vary with traffic volumes. Results obtained should be considered as a conclusion of a preliminary analysis, as there are other parameters, not only design-related, but also regarding traffic, environment, human factor and vehicle which could have an influence in the fact under research, but this information has not been considered in the analysis, as it was not available. In parallel, the analysis of the circumstances around the trip, including its typology and motivation is an interesting source of information, from which data are not available; the availability of this information would be useful for the improvement of accident analysis, in general, and for this research work, in particular. In addition, there are some limitations in the development of the research work; it would be necessary to develop an in-depth analysis in the future, thus assuming new research lines of interest.

Desarrollo de un modelo de evaluación de ciudades basado en el concepto de ciudad inteligente (Smart city)

La presente tesis tiene por finalidad contribuir al conocimiento de los procesos de transformación de las ciudades convencionales en Ciudades Inteligentes o Smart Cities, el nuevo paradigma urbano, que surge como consecuencia de la utilización de las Tecnologías de la Información y de las Comunicaciones, las TIC, para mejorar la calidad de vida de las personas y aumentar la eficiencia y eficacia de los procesos, servicios e infraestructuras de la ciudad. El proceso de urbanización de la población mundial constituye una de las principales tendencias globales. Los retos a los que se enfrentan las urbes actuales para satisfacer las necesidades de sus habitantes, así como la forma en que cada ciudad aborda dichos retos, propician el desarrollo de estudios comparativos y rankings de ciudades. La oportunidad para llevar a cabo esta tesis deriva de: La novedad del concepto de Ciudad Inteligente. La necesidad de establecer estudios comparativos, respecto a dicho concepto, entre ciudades con características socioeconómicas y culturales comunes, dado que la mayoría de los estudios y rankings se desarrollan para conjuntos de ciudades cuyas características son muy dispares, pues, en general son seleccionadas por su condición de capitales de estados o de centros económicos-financieros. El interés de disponer de estudios sobre ciudades con tamaños de población medianos, inferiores al millón de habitantes, las cuales tienen baja presencia en los estudios comparativos. La inexistencia de estudios comparativos entre las ciudades españolas, en relación con el concepto de Ciudad Inteligente. La existencia de la Red Española de Ciudades Inteligentes, que permite disponer de una muestra de ciudades adecuada, para llevar a cabo un estudio comparativo de acuerdo con los puntos anteriores. El objetivo general de la presente tesis es contribuir al conocimiento de los procesos de transformación de la ciudad convencional en Ciudad Inteligente, a través de la formulación y aplicación de un modelo de evaluación, basado en el concepto holístico de Ciudad Inteligente o Smart City y desde la perspectiva del ciudadano. La metodología de trabajo seguida comprende, en primer lugar, la revisión del estado del arte, centrada en tres aspectos: la evolución del concepto Smart City, los estudios comparativos sobre Ciudades Inteligentes y las medidas que las ciudades españolas están implantando en la práctica para llevar a cabo su transformación en Ciudades Inteligentes. A continuación se lleva a cabo el diseño el modelo de evaluación. Este modelo refleja el carácter holístico del concepto de Ciudad Inteligente, para lo cual, de acuerdo con las definiciones que encontramos en la literatura, evalúa la situación de cada ciudad en relación con seis ejes o pilares, comúnmente aceptados por los diferentes autores: e-Gobierno y e-Gobernanza, Movilidad, Sostenibilidad Ambiental, Desarrollo Económico, Capital Intelectual y Calidad de Vida. El trabajo desarrollado implica un análisis, que se desarrolla de forma ordenada para cada uno de los ejes y, dentro de éstos, para sus correspondientes factores. En total se analizan 18 factores. Para cada uno de los ejes se lleva a cabo una revisión de las iniciativas más representativas para, a continuación, analizar y evaluar los correspondientes los factores. De forma complementaria al desarrollo del trabajo, se llevó a cabo una encuesta, dirigida a profesionales de diferentes áreas y sectores, todos ellos en el ámbito de las Ciudades Inteligentes. El objetivo de la encuesta es conocer, de acuerdo con la opinión de los profesionales, la situación actual en materia de despliegue de Ciudades Inteligentes, las actuaciones que consideran de mayor interés para la ciudad y las barreras del proceso de cambio. Una vez definido el modelo, se ha aplicado a las 62 ciudades que forman la Red Española de Ciudades Inteligentes (RECI), valorando los factores y los ejes para cada una de ellas. Así mismo, se ha analizado la influencia de las tres variables siguientes: tamaño de población, densidad de población y presupuesto municipal por habitante, determinando la relación entre el porcentaje de ciudades inteligentes de la muestra, en cada factor. Adicionalmente en el eje Capital Intelectual,se analizó la influencia del porcentaje de habitantes con estudios superiores. Las 62 ciudades RECI que componen la muestra evaluada, representan el 43 % de las ciudades españolas que cuentan con poblaciones superiores a los 50.000 habitantes. La población que abarca la muestra de ciudades estudiada representa el 35% de la población española. Finalmente, se ha determinado el ranking con las ciudades de RECI, de acuerdo con el modelo diseñado. Así mismo se ha llevado a cabo el análisis de sensibilidad, determinado el ranking resultante para la misma muestra de ciudades, aplicando la ponderación de los factores. Las principales aportaciones de la tesis son: Desarrollar un modelo de evaluación de ciudades basada en el concepto holístico de la Smart City y desde la perspectiva del ciudadano. Desarrollar una metodología de trabajo fundamentada en el análisis sistematizado de las web municipales, como medio para conocer la situación de las ciudades, en lugar de los datos estadísticos publicados, que son la fuente de información habitualmente empleada en los estudios comparativos. Disponer de un estudio comparativo específico de ciudades españolas. Llevar a cabo un estudio sobre una muestra de ciudades de tamaño medio, con características socioeconómicas y culturales comparables. Mejorar el conocimiento de los procesos que se están llevando a cabo en ciudades con poblaciones inferiores al millón de habitantes. The purpose of this thesis is to contribute to the knowledge of the cities and the transformation that is taking part in traditional cities becoming Smart Cities. The Smart City concept is the new urban paradigm that is born from the extensive use of Information Technologies (IT) in order to accomplish better citizen’s quality of life as well as improvements in urban processes, services and infrastructures. Several rankings and benchmarking studies are being conducted globally, in response to the increasing of urban population that is taking part around the world and the subsequent challenges to be confronted by the cities. This thesis aims to contribute to these studies. The opportunity for this thesis comes from: The Smart City concept as a new concept. The need of benchmarking studies focused on the Smart City concept, carried on cities with similar social and economic characteristics. The interest on benchmarking studies on medium size cities (with less than one million inhabitants). The absence of benchmarking studies on Spanish cities. The existence of the Spanish Smart Cities Network that can be considered an appropriate sample for a benchmark study. The main goal of this thesis is to develop a Smart Cities assessment model based on the citizen point of view and taking into account a holistic concept of Smart City. The thesis methodology starts with the state of the art revision, focused on three items: the Smart City concept, the benchmark studies and the projects actually developed by the Spanish cities under processes for becoming Smart Cities. The next step is the assessment model design, in accordance with the six main axes or pillars referred in the academic literature: e-Government and e-Governance, Mobility, Environmental Sustainability, Economic Development, Smart Citizens and Quality of Life. Also, a survey has been conducted and addressed to experts working on the different areas related to the Smart Cities. The aim of this survey is to know their opinion about the deployment of the Smart Cities, the priorities considered by the cities and the barriers that delay the change processes. Once the assessment model was ready, it was applied to the Spanish Smart Cities Network, with 62 member cities. Also, the bearing of three variables: city population, population density and city budget per inhabitant, are studied. The 62 cities studied are 43 % of the Spanish cities with population over 50.000 inhabitants. The population living in these cities is the 35% of total Spanish population. The main contribution of this thesis are: An assessment model for Smart Cities that takes into account the holistic concept of the Smart City as well as the citizen experience. A methodology that comprises municipal web analysis instead of statistics data, which are the usual source of data for current benchmarking studies. A Spanish Smart Cities benchmark. A benchmark on medium size cities with similar social and economic characteristics. A better understanding of the urban processes that are taking part on cities under one million inhabitants.

Análisis, desarrollo y optimización de un sistema para el diseño de redes topográficas valorando el modelo digital del terreno

El presente trabajo tiene como objetivo general el análisis de las técnicas de diseño y optimización de redes topográficas, observadas mediante topografía convencional (no satelital) el desarrollo e implementación de un sistema informático capaz de ayudar a la definición de la geometría más fiable y precisa, en función de la orografía del terreno donde se tenga que ubicar. En primer lugar se realizará un estudio de la metodología del ajuste mediante mínimos cuadrados y la propagación de varianzas, para posteriormente analizar su dependencia de la geometría que adopte la red. Será imprescindible determinar la independencia de la matriz de redundancia (R) de las observaciones y su total dependencia de la geometría, así como la influencia de su diagonal principal (rii), números de redundancia, para garantizar la máxima fiabilidad interna de la misma. También se analizará el comportamiento de los números de redundancia (rii) en el diseño de una red topográfica, la variación de dichos valores en función de la geometría, analizando su independencia respecto de las observaciones así como los diferentes niveles de diseño en función de los parámetros y datos conocidos. Ha de señalarse que la optimización de la red, con arreglo a los criterios expuestos, está sujeta a los condicionantes que impone la necesidad de que los vértices sean accesibles, y además sean visibles entre sí, aquellos relacionados por observaciones, situaciones que dependen esencialmente del relieve del terreno y de los obstáculos naturales o artificiales que puedan existir. Esto implica la necesidad de incluir en el análisis y en el diseño, cuando menos de un modelo digital del terreno (MDT), aunque lo más útil sería la inclusión en el estudio del modelo digital de superficie (MDS), pero esta opción no siempre será posible. Aunque el tratamiento del diseño esté basado en un sistema bidimensional se estudiará la posibilidad de incorporar un modelo digital de superficie (MDS); esto permitirá a la hora de diseñar el emplazamiento de los vértices de la red la viabilidad de las observaciones en función de la orografía y los elementos, tanto naturales como artificiales, que sobre ella estén ubicados. Este sistema proporcionaría, en un principio, un diseño óptimo de una red constreñida, atendiendo a la fiabilidad interna y a la precisión final de sus vértices, teniendo en cuenta la orografía, lo que equivaldría a resolver un planteamiento de diseño en dos dimensiones y media1; siempre y cuando se dispusiera de un modelo digital de superficie o del terreno. Dado que la disponibilidad de obtener de manera libre el MDS de las zonas de interés del proyecto, hoy en día es costoso2, se planteará la posibilidad de conjuntar, para el estudio del diseño de la red, de un modelo digital del terreno. Las actividades a desarrollar en el trabajo de esta tesis se describen en esta memoria y se enmarcan dentro de la investigación para la que se plantean los siguientes objetivos globales: 1. Establecer un modelo matemático del proceso de observación de una red topográfica, atendiendo a todos los factores que intervienen en el mismo y a su influencia sobre las estimaciones de las incógnitas que se obtienen como resultado del ajuste de las observaciones. 2. Desarrollar un sistema que permita optimizar una red topográfica en sus resultados, aplicando técnicas de diseño y simulación sobre el modelo anterior. 3. Presentar una formulación explícita y rigurosa de los parámetros que valoran la fiabilidad de una red topográfica y de sus relaciones con el diseño de la misma. El logro de este objetivo se basa, además de en la búsqueda y revisión de las fuentes, en una intensa labor de unificación de notaciones y de construcción de pasos intermedios en los desarrollos matemáticos. 4. Elaborar una visión conjunta de la influencia del diseño de una red, en los seis siguientes factores (precisiones a posteriori, fiabilidad de las observaciones, naturaleza y viabilidad de las mismas, instrumental y metodología de estacionamiento) como criterios de optimización, con la finalidad de enmarcar el tema concreto que aquí se aborda. 5. Elaborar y programar los algoritmos necesarios para poder desarrollar una aplicación que sea capaz de contemplar las variables planteadas en el apartado anterior en el problema del diseño y simulación de redes topográficas, contemplando el modelo digital de superficie. Podrían considerarse como objetivos secundarios, los siguientes apartados: Desarrollar los algoritmos necesarios para interrelacionar el modelo digital del terreno con los propios del diseño. Implementar en la aplicación informática la posibilidad de variación, por parte del usuario, de los criterios de cobertura de los parámetros (distribución normal o t de Student), así como los grados de fiabilidad de los mismos ABSTRACT The overall purpose of this work is the analysis of the techniques of design and optimization for geodetic networks, measured with conventional survey methods (not satellite), the development and implementation of a computational system capable to help on the definition of the most liable and accurate geometry, depending on the land orography where the network has to be located. First of all, a study of the methodology by least squares adjustment and propagation of variances will be held; then, subsequently, analyze its dependency of the geometry that the network will take. It will be essential to determine the independency of redundancy matrix (R) from the observations and its absolute dependency from the network geometry, as well as the influence of the diagonal terms of the R matrix (rii), redundancy numbers, in order to ensure maximum re liability of the network. It will also be analyzed first the behavior of redundancy numbers (rii) in surveying network design, then the variation of these values depending on the geometry with the analysis of its independency from the observations, and finally the different design levels depending on parameters and known data. It should be stated that network optimization, according to exposed criteria, is subject to the accessibility of the network points. In addition, common visibility among network points, which of them are connected with observations, has to be considered. All these situations depends essentially on the terrain relief and the natural or artificial obstacles that should exist. Therefore, it is necessary to include, at least, a digital terrain model (DTM), and better a digital surface model (DSM), not always available. Although design treatment is based on a bidimensional system, the possibility of incorporating a digital surface model (DSM) will be studied; this will allow evaluating the observations feasibility based on the terrain and the elements, both natural and artificial, which are located on it, when selecting network point locations. This system would provide, at first, an optimal design of a constrained network, considering both the internal reliability and the accuracy of its points (including the relief). This approach would amount to solving a “two and a half dimensional”3 design, if a digital surface model is available. As the availability of free DSM4 of the areas of interest of the project today is expensive, the possibility of combining a digital terrain model will arise. The activities to be developed on this PhD thesis are described in this document and are part of the research for which the following overall objectives are posed: 1. To establish a mathematical model for the process of observation of a survey network, considering all the factors involved and its influence on the estimates of the unknowns that are obtained as a result of the observations adjustment. 2. To develop a system to optimize a survey network results, applying design and simulation techniques on the previous model. 3. To present an explicit and rigorous formulation of parameters which assess the reliability of a survey network and its relations with the design. The achievement of this objective is based, besides on the search and review of sources, in an intense work of unification of notation and construction of intermediate steps in the mathematical developments. 4. To develop an overview of the influence on the network design of six major factors (posterior accuracy, observations reliability, viability of observations, instruments and station methodology) as optimization criteria, in order to define the subject approached on this document. 5. To elaborate and program the algorithms needed to develop an application software capable of considering the variables proposed in the previous section, on the problem of design and simulation of surveying networks, considering the digital surface model. It could be considered as secondary objectives, the following paragraphs: To develop the necessary algorithms to interrelate the digital terrain model with the design ones. To implement in the software application the possibility of variation of the coverage criteria parameters (normal distribution or Student t test) and therefore its degree of reliability.