Numerics of Spacecraft Dynamics

Whenever a spacecraft is launched it is essential that the algorithms in the on-board software systems and at ground control are efficient and reliable over extended periods of time. Geometric numerical integrators, and in particular variational integrators, have both these characteristics. In "Numerics of Spacecraft Dynamics" new numerical integrators are presented and analysed in depth. These algorithms have been designed specifically for the dynamics of spacecraft and artificial satellites in Earth orbits. Full analytical solutions to a class of integrable deformations of the two-body problem in classical mechanics are derived, and a systematic method to compute variational integrators to arbitrary order with a computer algebra system is introduced.

SELLUTEHTAAN HÖYRYVERKON YLIJÄÄMÄENERGIAN HALLINNAN PARANTAMINEN

Tässä työssä on selvitetty sellutehtaan höyryverkosta tehtaan ulkopuolelle myytävän ylijäämähöyryn määrän ja paineen nopeaan vaihteluun vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu höyryn kehityksen ja kulutuksen vaihtelun vaikutusta ylijäämähöyryyn. Lisäksi on tarkasteltu mahdollisuuksia edellä mainittujen häiriöiden tasaamiseksi. Työssä on selvitetty teoriaa, joka vaikuttaa sellutehtaan höyryn kehitykseen ja kulutukseen. Lisäksi on selvitetty energiataselaskennan ja höyryverkon hallintaa parantavien toimenpiteiden teoriaa. Omana kokonaisuutena on sellutehtaan höyryn kehityksen ja kulutuksen tarkastelu sekä selvitys tehtaan höyryverkon hallinnan nykytilasta. Höyryverkolle on muodostettu energiatase. Työn tuloksia varten on kerätty ja tallennettu mittapistetietoa tiedonkeräysjärjestelmän avulla eri höyryverkon mittapisteistä. Työn tuloksina on mainittu useita höyryverkon hallintaa parantavia toteutuskelpoisia asioita ja toimenpiteitä. Työllä on luotu pohjaa menetelmälle, joka ohjaa energian kehitystä vastaamaan sellun tuotannon tarvitsemaa energiamäärää. Samalla saataisiin paremmin hallittua ylijäämähöyryä ja sen määrän sekä paineen vaihtelu vähentyisi.

Rigorous development of safety-critical systems

Nowadays, computer-based systems tend to become more complex and control increasingly critical functions affecting different areas of human activities. Failures of such systems might result in loss of human lives as well as significant damage to the environment. Therefore, their safety needs to be ensured. However, the development of safety-critical systems is not a trivial exercise. Hence, to preclude design faults and guarantee the desired behaviour, different industrial standards prescribe the use of rigorous techniques for development and verification of such systems. The more critical the system is, the more rigorous approach should be undertaken. To ensure safety of a critical computer-based system, satisfaction of the safety requirements imposed on this system should be demonstrated. This task involves a number of activities. In particular, a set of the safety requirements is usually derived by conducting various safety analysis techniques. Strong assurance that the system satisfies the safety requirements can be provided by formal methods, i.e., mathematically-based techniques. At the same time, the evidence that the system under consideration meets the imposed safety requirements might be demonstrated by constructing safety cases. However, the overall safety assurance process of critical computerbased systems remains insufficiently defined due to the following reasons. Firstly, there are semantic differences between safety requirements and formal models. Informally represented safety requirements should be translated into the underlying formal language to enable further veri cation. Secondly, the development of formal models of complex systems can be labour-intensive and time consuming. Thirdly, there are only a few well-defined methods for integration of formal verification results into safety cases. This thesis proposes an integrated approach to the rigorous development and verification of safety-critical systems that (1) facilitates elicitation of safety requirements and their incorporation into formal models, (2) simplifies formal modelling and verification by proposing specification and refinement patterns, and (3) assists in the construction of safety cases from the artefacts generated by formal reasoning. Our chosen formal framework is Event-B. It allows us to tackle the complexity of safety-critical systems as well as to structure safety requirements by applying abstraction and stepwise refinement. The Rodin platform, a tool supporting Event-B, assists in automatic model transformations and proof-based verification of the desired system properties. The proposed approach has been validated by several case studies from different application domains.

Dynamic Workload Parallelization and System Calibration on Single-Chip Cloud Computer

Many-core systems are emerging from the need of more computational power and power efficiency. However there are many issues which still revolve around the many-core systems. These systems need specialized software before they can be fully utilized and the hardware itself may differ from the conventional computational systems. To gain efficiency from many-core system, programs need to be parallelized. In many-core systems the cores are small and less powerful than cores used in traditional computing, so running a conventional program is not an efficient option. Also in Network-on-Chip based processors the network might get congested and the cores might work at different speeds. In this thesis is, a dynamic load balancing method is proposed and tested on Intel 48-core Single-Chip Cloud Computer by parallelizing a fault simulator. The maximum speedup is difficult to obtain due to severe bottlenecks in the system. In order to exploit all the available parallelism of the Single-Chip Cloud Computer, a runtime approach capable of dynamically balancing the load during the fault simulation process is used. The proposed dynamic fault simulation approach on the Single-Chip Cloud Computer shows up to 45X speedup compared to a serial fault simulation approach. Many-core systems can draw enormous amounts of power, and if this power is not controlled properly, the system might get damaged. One way to manage power is to set power budget for the system. But if this power is drawn by just few cores of the many, these few cores get extremely hot and might get damaged. Due to increase in power density multiple thermal sensors are deployed on the chip area to provide realtime temperature feedback for thermal management techniques. Thermal sensor accuracy is extremely prone to intra-die process variation and aging phenomena. These factors lead to a situation where thermal sensor values drift from the nominal values. This necessitates efficient calibration techniques to be applied before the sensor values are used. In addition, in modern many-core systems cores have support for dynamic voltage and frequency scaling. Thermal sensors located on cores are sensitive to the core's current voltage level, meaning that dedicated calibration is needed for each voltage level. In this thesis a general-purpose software-based auto-calibration approach is also proposed for thermal sensors to calibrate thermal sensors on different range of voltages.

Control hardware and Condition Monitoring System for Intersector Weld/Cut Robot

Työ sisältää ohjaislaitteiston vertailun ja valinnan rinnakkaisrakenteista robottia varten sekä kunnonvalvontajärjestelmän periaatteiden laadinnan kyseistä robottia varten. Ohjauslaitteisto sisältää teollisuustietokoneen sekä kenttäväylän. Sekä tietokoneesta että väylästä on teoriaosuus ja yksityiskohtaisempi valintaosuus. Teoriaosuudessa selitetään tarkemmin laitteiden toimintaperiaatteista. Valintaosuudessa kerrotaanmiksi jokin tietty laite on valittu käytettäväksi robotin ohjauksessa. Kunnonvalvontateoria ja rinnakkaisrakenteisen robotin kunnonvalvonnan keinot ovat työn toinen osa. Teoriaosa sisältää yleisluonteisen selvityksen vikaantumisesta ja valvonnasta. Erikoisrobotin kunnonvalvonnan keinot esitetään työssä tietyssä järjestyksessä. Ensin esitetään mahdolliset vikatilanteet. Toisessa kohdassa havainnollistetaan vikojen havaitseminen.

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Modeling and Synthesis of Tracking Control for the Belt Drive System

Usingof belt for high precision applications has become appropriate because of the rapid development in motor and drive technology as well as the implementation of timing belts in servo systems. Belt drive systems provide highspeed and acceleration, accurate and repeatable motion with high efficiency, long stroke lengths and low cost. Modeling of a linear belt-drive system and designing its position control are examined in this work. Friction phenomena and position dependent elasticity of the belt are analyzed. Computer simulated results show that the developed model is adequate. The PID control for accurate tracking control and accurate position control is designed and applied to the real test setup. Both the simulation and the experimental results demonstrate that the designed controller meets the specified performance specifications.

Transparent and secure remote network storage system using an untrusted server

Työssä kehitettin läpinäkyvä Internet Small Computer Systems Interface-verkkolevyä (iSCSI) käyttävä varmistusjärjestelmä. Verkkolevyn sisältö suojattiin asiakaspään salauskerroksella (dm-crypt). Järjestely mahdollisti sen, että verkkolevylle tallennetut varmuuskopiot pysyivät luottamuksellisina, vaikka levypalvelinta tarjoava taho oli joko epäluotettava tai suorastaan vihamielinen. Järjestelmän hyötykäyttöä varten kehitettiin helppokäyttöinen prototyyppisovellus. Järjestelmän riskit ja haavoittuvuudet käytiin läpi ja analysoitiin. Järjestelmälle tehtiin myös karkea kryptoanalyysi sen teknistenominaisuuksien pohjalta. Suorituskykymittaukset tehtiin sekä salatulle että salaamattomalle iSCSI-liikenteelle. Näistä todettiin, että salauksen vaikutus suorituskykyyn oli häviävän pieni jopa 100 megabittiä sekunnissa siirtävillä verkkonopeuksilla. Lisäksi pohdittiin teknologian muita sovelluskohteita ja tulevia tutkimusalueita.

Design of User Authentication System for Multi-operator wireless LANs

Langattomat lähiverkot ovat viime vuosikymmeninä saavuttaneet suuren suosion. Tässä työssä käsitellään käyttäjien todentamisjärjestelmän suunnittelua ja kehitystä langattomaan monioperaattoriverkkoon. Langattomassa monioperaattoriverkossa käyttäjillä on mahdollisuus käyttää eri operaattoreiden palveluita. Aluksi käsitellään olemassa olevia todentamismenetelmiä ja -järjestelmiä. minkä jälkeen kuvaillaan todentamisjärjestelmä langattomille monioperaattoriverkoille. Todentamisjärjestelmän ratkaisuvaihtoehtoja esitellään kaksi, niin sanotut moni- istunto - ja yksittäisistuntomalli. Moni-istuntomalli on normaali lähestymistapa käyttäjien todentamiseen tietokonejärjestelmissä. Siinä käyttäjän pitää tunnistautua ja todentaa itsensä jokaiselle verkon palvelulle erikseen. Yksittäisistuntomallissa pyritään parempaan luotettavuuteen ja käytettävyyteen. Siinä käyttäjä todentaa itsensä vain kerran ja voi sen jälkeen päästä useisiin palveluihin. Työn loppuosassa kuvaillaan suunnitellun järjestelmän toteutusta. Lisäksi ehdotetaan vaihtoehtoisia toteutustapoja, analysoidaan järjestelmän heikkouksia ja kerrotaan jatkokehitysmahdoillisuuksista.

Delivery system for location based information in wireless IP networks

Tämä työ esittelee uuden tarjota paikasta riippuvaa tietoa langattomien tietoverkkojen käyttäjille. Tieto välitetään jokaiselle käyttäjälle tietämättä mitään käyttäjän henkilöllisyydestä. Sovellustason protokollaksi valittiin HTTP, joka mahdollistaa tämän järjestelmän saattaa tietoa perille useimmille käyttäjille, jotka käyttävät hyvinkin erilaisia päätelaitteita. Tämä järjestelmä toimii sieppaavan www-liikenteen välityspalvelimen jatkeena. Erilaisten tietokantojen sisällä on perusteella järjestelmä päättää välitetäänkö tietoa vai ei. Järjestelmä sisältää myös yksinkertaisen ohjelmiston käyttäjien paikantamiseksi yksittäisen tukiaseman tarkkuudella. Vaikka esitetty ratkaisu tähtääkin paikkaan perustuvien mainosten tarjoamiseen, se on helposti muunnettavissa minkä tahansa tyyppisen tiedon välittämiseen käyttäjille.

Communication challenges in virtual teams – a case study of implementing computer-mediated communication technologies in inter-organisational virtual teams

This thesis seeks to answer, if communication challenges in virtual teams can be overcome with the help of computer-mediated communication. Virtual teams are becoming more common work method in many global companies. In order for virtual teams to reach their maximum potential, effective asynchronous and synchronous methods for communication are needed. The thesis covers communication in virtual teams, as well as leadership and trust building in virtual environments with the help of CMC. First, the communication challenges in virtual teams are identified by using a framework of knowledge sharing barriers in virtual teams by Rosen et al. (2007) Secondly, the leadership and trust in virtual teams are defined in the context of CMC. The performance of virtual teams is evaluated in the case study by exploiting these three dimensions. With the help of a case study of two virtual teams, the practical issues related to selecting and implementing communication technologies as well as overcoming knowledge sharing barriers is being discussed. The case studies involve a complex inter-organisational setting, where four companies are working together in order to maintain a new IT system. The communication difficulties are related to inadequate communication technologies, lack of trust and the undefined relationships of the stakeholders and the team members. As a result, it is suggested that communication technologies are needed in order to improve the virtual team performance, but are not however solely capable of solving the communication challenges in virtual teams. In addition, suitable leadership and trust between team members are required in order to improve the knowledge sharing and communication in virtual teams.

Modernization of protection and control system of HV/MV substation in Russia

This work describes different possibilities of protection and control system improvement of primary distribution substation. The status of condition and main problems of power networks from reliability point of view in Russia are described. This work studies technologies used today in Russia for protection of distribution networks with their disadvantages. Majority of medium voltage networks (6-35 kV) has isolated network point. There is still no any protection available on the market which allows to estimate distance to fault in case of earth fault. The thesis analyses methods of earth fault distance calculation. On the basis of computer simulation the influence of various factors on calculation accuracy is studied. The practical implementation of the method presupposes usage of digital relay. Application of digital relay is accompanied by numerous opportunities which are described in this work. Also advantages of system implemented on the basis of IEC 61850 standard are examined. Finally, suitability of modern digital relays from GOST standard point of view is analyzed.

On Transmission System Design for Wireless Broadcasting

This thesis considers aspects related to the design and standardisation of transmission systems for wireless broadcasting, comprising terrestrial and mobile reception. The purpose is to identify which factors influence the technical decisions and what issues could be better considered in the design process in order to assess different use cases, service scenarios and end-user quality. Further, the necessity of cross-layer optimisation for efficient data transmission is emphasised and means to take this into consideration are suggested. The work is mainly related terrestrial and mobile digital video broadcasting systems but many of the findings can be generalised also to other transmission systems and design processes. The work has led to three main conclusions. First, it is discovered that there are no sufficiently accurate error criteria for measuring the subjective perceived audiovisual quality that could be utilised in transmission system design. Means for designing new error criteria for mobile TV (television) services are suggested and similar work related to other services is recommended. Second, it is suggested that in addition to commercial requirements there should be technical requirements setting the frame work for the design process of a new transmission system. The technical requirements should include the assessed reception conditions, technical quality of service and service functionalities. Reception conditions comprise radio channel models, receiver types and antenna types. Technical quality of service consists of bandwidth, timeliness and reliability. Of these, the thesis focuses on radio channel models and errorcriteria (reliability) as two of the most important design challenges and provides means to optimise transmission parameters based on these. Third, the thesis argues that the most favourable development for wireless broadcasting would be a single system suitable for all scenarios of wireless broadcasting. It is claimed that there are no major technical obstacles to achieve this and that the recently published second generation digital terrestrial television broadcasting system provides a good basis. The challenges and opportunities of a universal wireless broadcasting system are discussed mainly from technical but briefly also from commercial and regulatory aspect

Development of Calculation Procedures for Wastewater Treatment Technologies for a Training System

Efficient designs and operations of water and wastewater treatment systems are largely based on mathematical calculations. This even applies to training in the treatment systems. Therefore, it is necessary that calculation procedures are developed and computerised a priori for such applications to ensure effectiveness. This work was aimed at developing calculation procedures for gas stripping, depth filtration, ion exchange, chemical precipitation, and ozonation wastewater treatment technologies to include them in ED-WAVE, a portable computer based tool used in design, operations and training in wastewater treatment. The work involved a comprehensive online and offline study of research work and literature, and application of practical case studies to generate ED-WAVE compatible representations of the treatment technologies which were then uploaded into the tool.