Nonlinear Control of Magnetically Actuated Spacecraft

The topic of this thesis is the feedback stabilization of the attitude of magnetically actuated spacecraft. The use of magnetic coils is an attractive solution for the generation of control torques on small satellites flying inclined low Earth orbits, since magnetic control systems are characterized by reduced weight and cost, higher reliability, and require less power with respect to other kinds of actuators. At the same time, the possibility of smooth modulation of control torques reduces coupling of the attitude control system with flexible modes, thus preserving pointing precision with respect to the case when pulse-modulated thrusters are used. The principle based on the interaction between the Earth's magnetic field and the magnetic field generated by the set of coils introduces an inherent nonlinearity, because control torques can be delivered only in a plane that is orthogonal to the direction of the geomagnetic field vector. In other words, the system is underactuated, because the rotational degrees of freedom of the spacecraft, modeled as a rigid body, exceed the number of independent control actions. The solution of the control issue for underactuated spacecraft is also interesting in the case of actuator failure, e.g. after the loss of a reaction-wheel in a three-axes stabilized spacecraft with no redundancy. The application of well known control strategies is no longer possible in this case for both regulation and tracking, so that new methods have been suggested for tackling this particular problem. The main contribution of this thesis is to propose continuous time-varying controllers that globally stabilize the attitude of a spacecraft, when magneto-torquers alone are used and when a momentum-wheel supports magnetic control in order to overcome the inherent underactuation. A kinematic maneuver planning scheme, stability analyses, and detailed simulation results are also provided, with new theoretical developments and particular attention toward application considerations.

Servizi di posizionamento e potenzialità degli atti di aggiornamento cartografico in coordinate assolute ETRF2000

Il contesto nazionale è cambiato recentemente per l’introduzione del nuovo Sistema Geodetico coincidente con quello Europeo (ETRS89, frame ETRF00) e realizzato dalle stazioni della Rete Dinamica Nazionale. Sistema geodetico, associato al cartografico UTM_ETRF00, divenuto per decreto obbligatorio nelle Pubbliche Amministrazioni. Questo cambiamento ha consentito di ottenere rilevamenti dei dati cartografici in coordinate assolute ETRF00 molto più accurate. Quando i dati così rilevati vengono utilizzati per aggiornamenti cartografici perdono le coordinate originarie e vengono adattati a particolari cartografici circostanti. Per progettare una modernizzazione delle mappe catastali e delle carte tecniche finalizzata a consentire l’introduzione degli aggiornamenti senza modificarne le coordinate assolute originarie, lo studio è iniziato valutando come utilizzare sviluppi di strutturazione dei dati topografici presenti nel Database Geotopografico, modellizzazioni 3D di fabbricati nelle esperienze catastali INSPIRE, integrazioni in ambito MUDE tra progetti edilizi e loro realizzazioni. Lo studio è proseguito valutando i servizi di posizionamento in tempo reale NRTK presenti in Italia. Inoltre sono state effettuate sperimentazioni per verificare anche in sede locale la precisione e l’affidabilità dei servizi di posizionamento presenti. La criticità della cartografia catastale deriva sostanzialmente dal due fatti: che originariamente fu inquadrata in 850 Sistemi e successivamente fu trasformata in Roma40 con una esigua densità di punti rimisurati; che fino al 1988 fu aggiornata con modalità non rigorose di bassa qualità. Per risolvere tali criticità si è quindi ipotizzato di sfruttare le modalità di rilevamento NRTK per aumentare localmente la densità dei punti rimisurati e reinquadrare le mappe catastali. Il test, realizzato a Bologna, ha comportato un’analisi preliminare per individuare quali Punti Fiduciali considerare coerenti con le specifiche cartografiche per poi utilizzarli e aumentare localmente la densità dei punti rimisurati. La sperimentazione ha consentito la realizzazione del progetto e di inserire quindi i prossimi aggiornamenti senza modificarne le coordinate ETRF00 ottenute dal servizio di posizionamento.

Forma breve e fotografia: una narrativa del Mozambico

La relazione interdisciplinare tra letteratura e fotografia, nella rilettura della storia recente del Mozambico, è l’oggetto di studio della presente tesi. Il presupposto coincide in primo luogo con la disamina interna della dialettica esistente tra archivio coloniale e oralità, modalità narrativa in parte transitata nella estória, declinazione lusofona della forma breve che permette di recuperare l’eredità popolare del racconto tradizionale. Il dialogo tra verbale e visuale consente a sua volta di stabilire nuovi paradigmi interpretativi nel dibattito postcoloniale tra memoria, trauma e rappresentazione. L’analisi comparativa tra la narrativa di João Paulo Borges Coelho e la fotografia di Ricardo Rangel rivela sguardi diversi sul mondo circostante, ma anche convergenze contemplative che si completano nell’incorporazione reciproca delle “omologie strutturali” comuni alle due modalità espressive. La fotografia colma delle lacune fornendoci delle visioni del passato, ma, in quanto “rappresentazione”, ci mostra il mondo per come appare e non per come funziona. Il testo letterario, grazie al suo approccio dialogico-narrativo, consente la rielaborazione museologica della complessa pletora di interferenze semantiche e culturali racchiuse nelle immagini, in altre parole fornisce degli “indizi di verità” da cui (ri)partire per l’elaborazione di nuovi archetipi narrativi tra l’evento rappresentato e la Storia di cui fa parte. Il punto di tangenza tra i due linguaggi è la cornice, espediente fotografico e narrativo che permette di tracciare i confini tra l’indicibile e l’invisibile, ma anche tra ciò che si narra e ciò che sta fuori dalla narrazione, ovvero fuori dalla storia. La tensione dialettica che si instaura tra questi due universi è seminale per stabilire le ragioni della specificità letteraria mozambicana perché, come afferma Luandino Vieira, “nel contesto postcoloniale gli scrittori sono dei satelliti che ruotano intorno ai «buchi neri della storia» la cui forza di attrazione permette la riorganizzazione dell’intero universo letterario.

Development of new tools and devices for CMB and foreground data analysis and future experiments

The discovery of the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation in 1965 is one of the fundamental milestones supporting the Big Bang theory. The CMB is one of the most important source of information in cosmology. The excellent accuracy of the recent CMB data of WMAP and Planck satellites confirmed the validity of the standard cosmological model and set a new challenge for the data analysis processes and their interpretation. In this thesis we deal with several aspects and useful tools of the data analysis. We focus on their optimization in order to have a complete exploitation of the Planck data and contribute to the final published results. The issues investigated are: the change of coordinates of CMB maps using the HEALPix package, the problem of the aliasing effect in the generation of low resolution maps, the comparison of the Angular Power Spectrum (APS) extraction performances of the optimal QML method, implemented in the code called BolPol, and the pseudo-Cl method, implemented in Cromaster. The QML method has been then applied to the Planck data at large angular scales to extract the CMB APS. The same method has been applied also to analyze the TT parity and the Low Variance anomalies in the Planck maps, showing a consistent deviation from the standard cosmological model, the possible origins for this results have been discussed. The Cromaster code instead has been applied to the 408 MHz and 1.42 GHz surveys focusing on the analysis of the APS of selected regions of the synchrotron emission. The new generation of CMB experiments will be dedicated to polarization measurements, for which are necessary high accuracy devices for separating the polarizations. Here a new technology, called Photonic Crystals, is exploited to develop a new polarization splitter device and its performances are compared to the devices used nowadays.

Numerical modeling of the Alto Tiberina low angle normal fault

The aim of this Thesis is to obtain a better understanding of the mechanical behavior of the active Alto Tiberina normal fault (ATF). Integrating geological, geodetic and seismological data, we perform 2D and 3D quasi-static and dynamic mechanical models to simulate the interseismic phase and rupture dynamic of the ATF. Effects of ATF locking depth, synthetic and antithetic fault activity, lithology and realistic fault geometries are taken in account. The 2D and 3D quasi-static model results suggest that the deformation pattern inferred by GPS data is consistent with a very compliant ATF zone (from 5 to 15 km) and Gubbio fault activity. The presence of the ATF compliant zone is a first order condition to redistribute the stress in the Umbria-Marche region; the stress bipartition between hanging wall (high values) and footwall (low values) inferred by the ATF zone activity could explain the microseismicity rates that are higher in the hanging wall respect to the footwall. The interseismic stress build-up is mainly located along the Gubbio fault zone and near ATF patches with higher dip (30°

Kinematic models of interseismic deformation from inversion of GPS and InSAR measurements to estimate fault parameters and coupling degree

We have used kinematic models in two Italian regions to reproduce surface interseismic velocities obtained from InSAR and GPS measurements. We have considered a Block modeling, BM, approach to evaluate which fault system is actively accommodating the occurring deformation in both considered areas. We have performed a study for the Umbria-Marche Apennines, obtaining that the tectonic extension observed by GPS measurements is explained by the active contribution of at least two fault systems, one of which is the Alto Tiberina fault, ATF. We have estimated also the interseismic coupling distribution for the ATF using a 3D surface and the result shows an interesting correlation between the microseismicity and the uncoupled fault portions. The second area analyzed concerns the Gargano promontory for which we have used jointly the available InSAR and GPS velocities. Firstly we have attached the two datasets to the same terrestrial reference frame and then using a simple dislocation approach, we have estimated the best fault parameters reproducing the available data, providing a solution corresponding to the Mattinata fault. Subsequently we have considered within a BM analysis both GPS and InSAR datasets in order to evaluate if the Mattinata fault may accommodate the deformation occurring in the central Adriatic due to the relative motion between the North-Adriatic and South-Adriatic plates. We obtain that the deformation occurring in that region should be accommodated by more that one fault system, that is however difficult to detect since the poor coverage of geodetic measurement offshore of the Gargano promontory. Finally we have performed also the estimate of the interseismic coupling distribution for the Mattinata fault, obtaining a shallow coupling pattern. Both of coupling distributions found using the BM approach have been tested by means of resolution checkerboard tests and they demonstrate that the coupling patterns depend on the geodetic data positions.

A multi-instrumental approach to the study of equatorial ionosphere over South America

An extensive study of the morphology and the dynamics of the equatorial ionosphere over South America is presented here. A multi parametric approach is used to describe the physical characteristics of the ionosphere in the regions where the combination of the thermospheric electric field and the horizontal geomagnetic field creates the so-called Equatorial Ionization Anomalies. Ground based measurements from GNSS receivers are used to link the Total Electron Content (TEC), its spatial gradients and the phenomenon known as scintillation that can lead to a GNSS signal degradation or even to a GNSS signal ‘loss of lock’. A new algorithm to highlight the features characterizing the TEC distribution is developed in the framework of this thesis and the results obtained are validated and used to improve the performance of a GNSS positioning technique (long baseline RTK). In addition, the correlation between scintillation and dynamics of the ionospheric irregularities is investigated. By means of a software, here implemented, the velocity of the ionospheric irregularities is evaluated using high sampling rate GNSS measurements. The results highlight the parallel behaviour of the amplitude scintillation index (S4) occurrence and the zonal velocity of the ionospheric irregularities at least during severe scintillations conditions (post-sunset hours). This suggests that scintillations are driven by TEC gradients as well as by the dynamics of the ionospheric plasma. Finally, given the importance of such studies for technological applications (e.g. GNSS high-precision applications), a validation of the NeQuick model (i.e. the model used in the new GALILEO satellites for TEC modelling) is performed. The NeQuick performance dramatically improves when data from HF radar sounding (ionograms) are ingested. A custom designed algorithm, based on the image recognition technique, is developed to properly select the ingested data, leading to further improvement of the NeQuick performance.

La deflessione della verticale ed il coefficiente di rifrazione atmosferico nel monitoraggio in alta precisione

La tesi è suddivisa in due parti. La prima è dedicata alla determinazione della Deflessione della Verticale (DdV) in Medicina (BO). Vengono presentati tre metodi per la determinazione delle componenti della DdV. Il primo utilizza la livellazione geometrica ed il sistema GNSS, il secondo, eseguito dal dott. Serantoni, utilizza il sistema QDaedalus, messo a punto all' ETH di Zurigo ed il terzo approccio utilizza il programma ConvER, messo a disposizione dalla regione Emilia-Romagna. Nella seconda parte viene presentato un metodo per la determinazione del Coefficiente di Rifrazione Atmosferico (CRA). La procedura di calcolo è di tipo iterativo ed utilizza, oltre agli angoli zenitali, anche le distanze misurate. Il metodo è stato testato in due aree di studio. La prima nella città di Limassol (Cipro) in ambiente urbano nell' autunno 2013. La seconda in Venezia nella laguna durante l'estate 2014.