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

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

Spaces of the Past, Histories of the Present: An Interview with Stuart Elden and Derek Gregory

The ontologies of space and territory, our experience of them and the techniques we use to govern them, the very conception of the socio-spatial formations that we inhabit, are all historically specific: they depend on a genealogy of practices, knowledges, discourses, regulations, performances and representations articulated in a way that is extremely complex yet nevertheless legible over time. In this interview we look at the logic and the patterns that intertwine space and time — both as objects and tools of inquiry — though a cross-disciplinary dialogue. The discussion with Stuart Elden and Derek Gregory covers the place of history in socio-spatial theory and in their own work, old and new ways of thinking about the intersection between history and territory, space and time, the implications of geography and history for thinking about contemporary politics, and the challenges now faced by critical thought and academic work in the current neo-liberal attack on public universities and the welfare state

Calibration process on the study of new antenna array architectures for space communications

This paper introduces novel calibration processes applied to antenna arrays with new architectures and technologies designed to improve the performance of traditional earth stations for satellite communications due to the increasing requirement of data capacity during last decades. Besides, the Radiation Group from the Technical University of Madrid has been working on the development of new antenna arrays based on novel architecture and technologies along many projects as a solution for the ground segment in the early future. Nowadays, the calibration process is an interesting and cutting edge research field in a period of expansion with a lot of work to do for calibration in transmission and also for reception of these novel antennas under development.

The Spreading of Christianity and the introduction of Modern Architecture in Shannxi, China (1840-1949): Christian churches and traditional Chinese architecture

La arquitectura china ha experimentado grandes cambios a lo largo de un extenso proceso histórico. El hito de mayor importancia es el que da paso al denominado Tiempo Moderno, periodo en el cual irrumpe por vez primera en China la arquitectura occidental, que comienza a tener una influencia muy activa y significativa sobre los rasgos y la identidad de la arquitectura tradicional china, hasta ese momento el único estilo o forma de hacer –muy diferente, en cuanto a su concepción y fisonomía, de los planteamientos occidentales- que había sobrevivido sin desvíos significativos, configurando un panorama milenario bastante homogéneo en los aspectos técnicos y artísticos en el desarrollo de esa arquitectura. Por un cúmulo de complejas razones, la mayor parte de la arquitectura china del periodo feudal -es decir el que forman todos los años anteriores a 1849- ha desaparecido. Sin embargo, desde la fecha indicada hasta la Revolución de 1949 (el denominado periodo semicolonial o semifeudal), sí se conservan muchas edificaciones, que fueron mejor construidas y mantenidas luego, destacando por su importancia en ese sentido las iglesias cristianas. Dichos templos representan cronológicamente, no sólo la primera irrupción de la arquitectura clásica occidental en China, sino el inicio de un proceso de modernización de la profundamente enraizada y, en buena medida, estancada arquitectura vernácula, combinando técnicas y estilos de ambos planteamientos, para dar como resultado originales edificaciones de un singular eclecticismo que caracterizarían buena parte de la arquitectura de dicha etapa semicolonial. En términos generales, últimamente se ha ido prestando cada vez más atención a esta arquitectura de los tiempos modernos, aunque las iglesias cristianas de la provincia de Shaanxi no han sido objeto de estudio específico, a pesar de que su tipología es muy representativa de las construcciones de esta clase en otras regiones del interior de China. La investigación que desarrolla la presente tesis doctoral sale al paso de esa deficiencia, abriendo puertas a la continuación del trabajo referido, extendido a otras zonas o arquitecturas, y, por extensión, a la profundización analítica de la hibridación arquitectónica y cultural entre China y Occidente. Sobre las bases de investigación documental, estudios de campo y dibujo, la tesis plantea un estudio aclaratorio de los rasgos y raíces de la arquitectura tradicional china, al que sigue otro histórico y tipológico de los templos cristianos en la provincia de Shaanxi, deteniéndose en sus características fundamentales, situación (uso) actual y estado de conservación. Se ha considerado imprescindible añadir al trabajo, como apéndice, un elaborado glosario conceptual ilustrado de términos básicos arquitectónicos y constructivos, en chino, inglés y español. ABSTRACT The Chinese architecture has gone through great changes during the long process of history. The tremendous changing period was the named Modern Times of China when, for the very first time, the western architecture was introduced into China and became to influence majorly on the traditional Chinese architecture. Before that, the traditional Chinese architecture which has its own, yet totally different system from the occidental architecture system was the only architectural style could be found in China. Although, due to many historical, conceptual and architectural characteristic reasons, large amount of the ancient Chinese architecture built in the feudal China was not preserved, there are a lot of buildings of semi-feudal China that was well constructed and conserved. The most important architectural type of the semi-feudal China is the Christian Churches. It was not only the first western architectural form that was brought into and well developed in China, but also was the beginner of the modernization process of Chinese architecture. Because of the deep root of the 2000-year traditional Chinese architecture, all the Christian Churches built in China during the semi-colonial society has a combined style of both the traditional Chinese architecture and the classic western churches. They are a priceless asset of the Chinese architectural history. Recently, more and more attention had been paid on the Chinese Modern Times architecture, however, the Christian Churches in Shaanxi Province, the province which has a unique history with the Christian, but less economically developed have never been researched yet. The Christian Churches of Shaanxi Province reflect the general feature of developing history of the Christian Churches of common inner-land regions in China. The research opens the door to further study on other Christian Churches and related buildings, and also for the further study on the Chinese-western architectural and culture communication. On the base of document research, field survey and mapping, in this thesis, an in-depth study had been done on the general history of the features and roots of the traditional Chinese architecture, the developing history of the Christian Churches of Shaanxi Province and the architectural types, examples, characteristics, present situation and conservation status. By comparing the Christian Churches of the cities in Shaanxi province to the Christian Churches in other more developed cities, and by comparing the Christian Churches in China to the classic western churches, the architectural combination feature of the Christian Churches in China are highlighted. The thesis is a fundamental research on which many further studies about the architectural developing history, characteristics and conservation of the Christian Churches in China could be done. It is considered essential to add to the work, as an appendix, an elaborate conceptual illustrated glossary of architectural and construction terms in Chinese, English and Spanish.

An Implemented of a Real-Time Experimental Setup for Robotic Teleoperation System

The development of this work presents the implementation of an experimental platform, which will permit to investigate on a methodology for the design and analysis of a teleoperated system, considering the delay in the communication channel. The project has been developed in partnership with the laboratory of Automatic and Robotics of the Universidad Politécnica de Madrid and the Laboratory at the Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura at the Pontificia Universidad Católica del Perú. The mechanical structure of the arm that is located in the remote side has been built and the electric servomechanism has been mounted to control their movement. The experimental test of the Teleoperation system has been developed. The PC104 card commands the power interface and sensors of the DC motor of each articulation of the arm. Has developed the drives for the management of the operations of the master and the slave: send/reception of position, speed, acceleration and current data through a CAN network. The programs for the interconnection through a LAN network, between the Windows Operating System and the Real-time Operating System (QNX), has been developed. The utility of the developed platform (hardware and software) has been demonstrated.