RADAR Roadmap: The application of EPrints for the continued development of RADAR at The Glasgow School of Art

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Radar cross-section measurement using the Doppler effect

In this Master Thesis we discuss issues related to the measurement of the effective scattering surface, based on the Doppler Effect. Modeling of the detected signal was made. Narrowband signal filtering using low-frequency amplifier was observed. Parameters of the proposed horn antennas were studied; radar cross section charts for three different objects were received.

Aircraft tracking and classification with vhf passive bistatic radar

Since the times preceding the Second World War the subject of aircraft tracking has been a core interest to both military and non-military aviation. During subsequent years both technology and configuration of the radars allowed the users to deploy it in numerous fields, such as over-the-horizon radar, ballistic missile early warning systems or forward scatter fences. The latter one was arranged in a bistatic configuration. The bistatic radar has continuously re-emerged over the last eighty years for its intriguing capabilities and challenging configuration and formulation. The bistatic radar arrangement is used as the basis of all the analyzes presented in this work. The aircraft tracking method of VHF Doppler-only information, developed in the first part of this study, is solely based on Doppler frequency readings in relation to time instances of their appearance. The corresponding inverse problem is solved by utilising a multistatic radar scenario with two receivers and one transmitter and using their frequency readings as a base for aircraft trajectory estimation. The quality of the resulting trajectory is then compared with ground-truth information based on ADS-B data. The second part of the study deals with the developement of a method for instantaneous Doppler curve extraction from within a VHF time-frequency representation of the transmitted signal, with a three receivers and one transmitter configuration, based on a priori knowledge of the probability density function of the first order derivative of the Doppler shift, and on a system of blocks for identifying, classifying and predicting the Doppler signal. The extraction capabilities of this set-up are tested with a recorded TV signal and simulated synthetic spectrograms. Further analyzes are devoted to more comprehensive testing of the capabilities of the extraction method. Besides testing the method, the classification of aircraft is performed on the extracted Bistatic Radar Cross Section profiles and the correlation between them for different types of aircraft. In order to properly estimate the profiles, the ADS-B aircraft location information is adjusted based on extracted Doppler frequency and then used for Bistatic Radar Cross Section estimation. The classification is based on seven types of aircraft grouped by their size into three classes.

Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Päätöspuun käyttö tutkamaalien initialisoinnissa

Suomen ilmatilaa valvotaan reaaliaikaisesti, pääasiassa ilmavalvontatutkilla. Ilmatilassa on lentokoneiden lisäksi paljon muitakin kohteita, jotka tutka havaitsee. Tutka lähettää nämä tiedot edelleen ilmavalvontajärjestelmään. Ilmavalvontajärjestelmä käsittelee tiedot, sekä lähettää ne edelleen esitysjärjestelmään. Esitysjärjestelmässä tiedot esitetään synteettisinä merkkeinä, seurantoina joista käytetään nimitystä träkki. Näiden tietojen puitteissa sekä oman ammattitaitonsa perusteella ihmiset tekevät päätöksiä. Tämän työn tarkoituksena on tutkia tutkan havaintoja träkkien initialisointipisteessä siten, että voitaisiin määritellä tyypillinen rakenne sille mikä on oikea ja mikä väärä tai huono träkki. Tämän lisäksi tulisi ennustaa, mitkä Irakeista eivät aiheudu ilma- aluksista. Saadut tulokset voivat helpottaa työtä havaintojen tulkinnassa - jokainen lintuparvi ei ole ehdokas seurannaksi. Havaintojen luokittelu voidaan tehdä joko neurolaskennalla tai päätöspuulla. Neurolaskenta tehdään neuroverkoilla, jotka koostuvat neuroneista. Päätöspuu- luokittelijat ovat oppivia tietorakenteita kuten neuroverkotkin. Yleisin päätöpuu on binääripuu. Tämän työn tavoitteena on opettaa päätöspuuluokittelija havaintojen avulla siten, että se pystyy luokittelemaan väärät havainnot oikeista. Neurolaskennan mahdollisuuksia tässä työssä ei käsitellä kuin teoreettisesti. Työn tuloksena voi todeta, että päätöspuuluokittelijat ovat erittäin kykeneviä erottamaan oikeat havainnot vääristä. Vaikka tulokset olivat rohkaiseva, lisää tutkimusta tarvitaan määrittelemään luotettavammin tekijät, jotka parhaiten suorittavat luokittelun.

Matkapuhelinverkon MAP-protokollatoteutus älyverkkopalveluiden ohjauspisteeseen

Työssä esitellään yleiseurooppalaisen GSM-matkapuhelinjärjestelmän verkkoelementtejä ja perehdytään niiden väliseen standardoituun merkinantoprotokollaan. Lisäksi tarkastellaan protokollan lyhytsanomien välitykseen liittyviä operaatioita ja niissä tapahtunutta kehitystä standardoinnin eri vaiheissa. Tavoitteena oli toteuttaa GSM-matkapuhelinverkon merkinantoprotokollaan perustuva ohjelma, jonka tehtävänä on välittää lyhytsanomia matkapuhelin- ja lyhytsanomakeskuksen välillä. Matkapuhelimeen päättyvän lyhytsanoman välitykseen liittyy lisäksi reititystiedon hakeminen vastaanottajan kotirekisteristä. Toteutuksessa on ohjelmointirajapinta, joka helpottaa matkapuhelinverkon uusien palvelusovellusten kehittämistä. Toteutus testattiin standardoituja testitapauksia soveltaen. Yhdenmukaisuustestauksessa käytettiin apuna merkinantoanalysaattoria. Testauksessa tarkastettiin, että protokolla toimii loogisesti oikein. Suorituskykyä ei ole voitu testata todellisessa testiympäristössä, mutta ohjelmallisesti toteutettujen simulaattoreiden avulla on saatu hyviä tuloksia.

Subsystem Testing of Message Guided State Machines Using a Simulator Framework

Simulaattorit ovat yksinkertaistettuja malleja tietyistä järjestelmän osioista. Niitä käytetään mallintamaan testattavan osion ympärillä olevien muiden osioiden ulkoista toimintaa, jotta testattavalle osiolle saadaan oikeanlainen toimintaympäristö aikaiseksi. Tilakoneita käytetään mallintamaan ohjelmistojen tai niiden osien toimintaa. Sanomaohjatuissa tilakoneissa tilojen vaihdot perustuvat saapuviin sanomiin. Tässä työssä esitellään erään ohjelmiston alijärjestelmän testaamisessa käytettävä arkkitehtuuri, joka perustuu suurelta osin simulaattoreiden käyttöön muiden alijärjestelmien mallintamisessa. Testattava ohjelmisto koostuu enimmäkseen tilakoneista, jotka vaihtavat keskenään sanomia ja ohjaavat näin toistensa tilasiirtymiä. Työn testausympäristö on suunniteltu juuri tämänkaltaisen ohjelmiston testaamiseen. Työssä esiteltävää testausympäristöä myöskin käytettiin useamman kuukauden ajan ja se todettiin toimivaksi. Joitakin testausympäristön käyttöohjeita, käyttökokemuksia sekä siihen liittyviä parannusehdotuksia käydään läpi työn loppuosassa. Erityisesti havaittiin miten tärkeää on testata implementaatiota jo luokka tasolla ennen alijärjestelmä tason testaukseen siirtymistä sekä päädyttiin siihen, että suunnitteluvaiheen pitäisi olla lähemmin liitoksissa alijärjestelmätestaukseen.

USER'S GUIDE FOR ADVANCED PROCESS SIMULATION SOFTWARE APROS 5

Tässä diplomityössä tehtiin käyttäjän opas kehittyneelle prosessisimulointiohjelmistolle APROS 5. Opas on osa VTT Energialle tehtävää APROS 5 käyttäjän koulutuspakettia, joka julkaistaan myöhemmin CD-ROM -muotoisena. Prosessisimulointiohjelmistoa AAPROS 5 voidaan käyttää termohydraulisten prosessien, automaatiopiirien ja sähköjärjestelmien mallinnuksessa. Ohjelma sisältää myös neutroniikkamallin ydinreaktorin käyttäytymisen mallintamiseksi. APROS:in aikaisemmilla UNIX-ympäristössä toimivilla versioilla on toteutettu useita ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimukseen liittyviä analyysejä ja sekä ydinvoimalaitosten että konventionaalisten voimalaitosten koulutussimulaattoreita. APROS 5 toimii Windows NT -ympäristössä ja on oleellisesti erilainen käyttää kuin aikaisemmat versiot. Tämän myötä syntyi tarve uudelle käyttäjän oppaalle. Käyttäjän oppaassa esitetään APROS 5:n tärkeimmät toiminnot, mallinnuksen periaatteet ja termohydraulisten ja neutroniikan ratkaisumallit. Lisäksi oppaassa esitetään esimerkki, jossa mallinnetaan yksinkertaistettu VVER-440 -tyyppisen ydinvoimalaitoksen primääripiiri. Yksityiskohtaisempaa tietoa ohjelmistosta on saatavilla APROS 5 -dokumentaatiosta.

Proportionality and Party Success in Europe

This thesis consists of four articles and an introductory section. The main research questions in all the articles are about proportionality and party success in Europe, at European, national or district levels. Proportionality in this thesis denotes the proximity of seat shares parties receive compared to their respective vote shares, after the electoral system’s allocation process. This proportionality can be measured through numerous indices that illustrate either the overall proportionality of an electoral system or a particular election. The correspondence of a single party’s seat shares to its vote shares can also be measured. The overall proportionality is essential in three of the articles (1, 2 and 4), where the system’s performance is studied by means of plots. In article 3, minority party success is measured by advantage-ratios that reveal single party’s winnings or losses in the votes to seat allocation process. The first article asks how proportional are the European parliamentary (EP) electoral systems, how do they compare with results gained from earlier studies and how do the EP electoral systems treat different sized parties. The reasons for different outcomes are looked for in explanations given by traditional electoral studies i.e. electoral system variables. The countries studied (EU15) apply electoral systems that vary in many important aspects, even though a certain amount of uniformity has been aspired to for decades. Since the electoral systems of the EP elections closely resemble the national elections, the same kinds of profiles emerge as in the national elections. The electoral systems indeed treat the parties differentially and six different profile types can be found. The counting method seems to somewhat determine the profile group, but the strongest variables determining the shape of a countries’ profile appears to be the average district magnitude and number of seats allocated to each country. The second article also focuses on overall proportionality performance of an electoral system, but here the focus is on the impact of electoral system changes. I have developed a new method of visualizing some previously used indices and some new indices for this purpose. The aim is to draw a comparable picture of these electoral systems’ changes and their effects. The cases, which illustrate this method, are four elections systems, where a change has occurred in one of the system variables, while the rest remained unchanged. The studied cases include the French, Greek and British European parliamentary systems and the Swedish national parliamentary system. The changed variables are electoral type (plurality changed to PR in the UK), magnitude (France splitting the nationwide district into eight smaller districts), legal threshold (Greece introducing a three percent threshold) and counting method (d’Hondt was changed to modified Sainte-Laguë in Sweden). The radar plots from elections after and before the changes are drawn for all country cases. When quantifying the change, the change in the plots area that is created has also been calculated. Using these radar plots we can observe that the change in electoral system type, magnitude, and also to some extent legal threshold had an effect on overall proportionality and accessibility for small parties, while the change between the two highest averages counting method had none. The third article studies the success minority parties have had in nine electoral systems in European heterogeneous countries. This article aims to add more motivation as to why we should care how different sized parties are treated by the electoral systems. Since many of the parties that aspire to represent minorities in European countries are small, the possibilities for small parties are highlighted. The theory of consociational (or power-sharing) democracy suggests that, in heterogeneous societies, a proportional electoral system will provide the fairest treatment of minority parties. The OSCE Lund Recommendations propose a number of electoral system features, which would improve minority representation. In this article some party variables, namely the unity of the minority parties and the geographical concentration of the minorities were included among possible explanations. The conclusions are that the central points affecting minority success were indeed these non-electoral system variables rather than the electoral system itself. Moreover, the size of the party was a major factor governing success in all the systems investigated; large parties benefited in all the studied electoral systems. In the fourth article the proportionality profiles are again applied, but this time to district level results in Finnish parliamentary elections. The level of proportionality distortion is also studied by way of indices. The average magnitudes during the studied periodrange from 7.5 to 26.2 in the Finnish electoral districts and this opens up unequal opportunities for parties in different districts and affects the shape of the profiles. The intra-country case allows the focus to be placed on the effect of district magnitude, since all other electoral systems are kept constant in an intra-country study. The time span in the study is from 1962 to 2007, i.e. the time that the districts have largely been the same geographically. The plots and indices tell the same story, district magnitude and electoral alliances matter. The district magnitude is connected to the overall proportionality of the electoral districts according to both indices, and the profiles are, as expected, also closer to perfect proportionality in large districts. Alliances have helped some small parties to gain a much higher seat share than their respective vote share and these successes affect some of the profiles. The profiles also show a consistent pattern of benefits for the small parties who ally with the larger parties.

Sadevälkkeen mallinnus ilmavalvontatutkajärjestelmää varten

Tutkat muodostavat Suomen rauhanajan ilmavalvonnan rungon. Ilmatilassa on lentokoneiden lisäksi paljon muitakin kohteita, jotka ilmavalvontatutka havaitsee. Naita ei toivottuja kaikuja kutsutaan välkkeeksi. Sadevälke on tilavuusvälkettä. Tämän työn tarkoituksena on löytää menetelmä tai malli, jolla voitaisiin mallintaa sadevälkkeen vaikutus ilmavalvontatutkassa. Toisaalta myös sadevälkkeen suodatus on työn keskeinen tavoite. Käytettyjä suodatusmenetelmiä olivat adaptiivinen suodatus ja doppler-suodatus. Suodinpankkiin eli doppler-suodatukseen lisättiin vielä CFAR Työn tuloksena voi todeta, että sadevälkkeen suodatus onnistui hyvin mutta itse sadevälkkeen mallintamista tulee kehittää edelleen. Työssä käytetyt menetelmät on esitetty algoritmimuodossa. Mittausaineiston keräys suoritettiin keskivalvontatutkalla ja SP-testerillä. Varsinaiset suodatuskokeet ja mallin testaus tehtiin Matlab-ohjelmistolla.

Autosimulaattoripeleihin soveltuvan kaksiakselisen liikealustan kehittäminen

Työssä kehitettiin kohtuuhintainen ja suorituskyvyltään riittävä autosimulaattoripelikäyttöön soveltuva liikealusta. Työssä tutustuttiin aluksi markkinoilla oleviin liikealustaratkaisuihin. Työssä selvitettiin myös liikealustaa koskevia turvallisuusmääräyksiä. Kehittäminen alkoi liikealustan vaatimusten määrittelyllä ja kuormituksien simuloinnilla. Runkorakenteet mitoitettiin kestämään simuloituja rasituksia. Liikealustan toimilaitteet valittiin simulointitulosten perusteella. Työssä suunniteltiin myös liikealustan ohjausjärjestelmä. Mekaanisien osien ja voimansiirron mitoittamisen jälkeen suoritettiin osien yksityiskohtainen suunnittelu. Alihankkijat valmistivat osat ja ne koottiin Älykkäiden koneiden laboratoriossa. Järjestelmän kokoamisen jälkeen viritettiin säätäjät ja testattiin liikealustan toimivuutta. Kehitettyä liikealustaa on käytetty muutamissa tapahtumissa. Asetetut tavoitteet saavutettiin ja liikealusta soveltuu kokemuksien perusteella hyvin rata-autosimulaattoripelien kanssa käytettäväksi.

Learning Robot Environment through Simulation

Traditionally simulators have been used extensively in robotics to develop robotic systems without the need to build expensive hardware. However, simulators can be also be used as a “memory”for a robot. This allows the robot to try out actions in simulation before executing them for real. The key obstacle to this approach is an uncertainty of knowledge about the environment. The goal of the Master’s Thesis work was to develop a method, which allows updating the simulation model based on actual measurements to achieve a success of the planned task. OpenRAVE was chosen as an experimental simulation environment on planning,trial and update stages. Steepest Descent algorithm in conjunction with Golden Section search procedure form the principle part of optimization process. During experiments, the properties of the proposed method, such as sensitivity to different parameters, including gradient and error function, were examined. The limitations of the approach were established, based on analyzing the regions of convergence.

SAR-satelliittien hyödyntäminen merivalvonnassa

Yhteiskunnan eri toimijoiden riippuvuus avaruustoiminnasta on kasvamassa. Satelliittien paikka- ja aikatietojen lisäksi satelliittien valvontakyvyn hyödyntäminen on lisääntymässä. Merivoimat on mukana kansainvälisissä merivalvontahankkeissa, muun muassa Euroopan puolustusviraston johtamassa Maritime Surveillance -hankkeessa, jossa hyödynnetään satelliittien valvontakykyä merialueiden valvonnassa. Tämä tutkimuksen tavoitteena on selvittää miten SAR (Synthetic Aperature Radar) -satelliitteja voidaan hyödyntää merivalvonnassa ja mitkä ovat merivalvonnan tietotarpeet sekä SAR-aineistojen saatavuus.