Deep space orbit determination and guidance of the LICIACube microsatellite mission

Recently, the JPL's MarCO mission demonstrated that these probes are also mature enough to be employed in the deep space, even though with the limitations related to the employed commercial components. Currently, other deep space CubeSats are planned either as stand-alone missions or as companions of a traditional large probe. Therefore, developing a dedicated navigation suite is crucial to reaching the mission's goals, considering the limitations of the onboard components compared to typical deep space missions. In this framework, the LICIACube mission represents an ideal candidate test-bench, as it performs a flyby of the Didymos asteroid system subject to a strong position, epochs, and pointing requirements. This mission will also allow us to infer the capabilities of such microsatellites and highlight their limitations compared with the benefits of a lighter design and tailoring efforts. In this work, the OD and guidance methods and tools adopted for classical deep space missions have been tailored for the CubeSat applications and validated through extensive analyses. In addition, navigation procedures and interfaces have been designed in view of the operations foreseen in late 2022. The pre-launch covariance analysis has been performed to assess the mission's feasibility for the nominal trajectory and its associated uncertainties, based on conservative assumptions on the main parameters. Extensive sensitivity analyses have been carried out to understand the main mission parameters affecting the performance and to demonstrate the robustness of the designed trajectory and operation schedule in fulfilling the mission requirements. The developed system was also stressed by tuning the models to access different reconstruction methods for the maneuvers. The analysis demonstrated the feasibility of the LICIACube mission navigation in compliance with the mission requirements, compatible with the limited resources available, both in space and on the ground.

Studio e caratterizzazione del colore rosso dell'epicarpo nella pera Max Red Bartlett, mutante della cv William

Durante il secolo scorso sono state individuate alcune mutazioni per il colore della buccia della varietà William che invece di essere giallo arriva a maturazione con diverse tonalità di colore rosso. L’intensità e la tipologia del fenotipo dovuto a questa mutazione mostra una variabilità all’interno dei diversi cloni rossi di questa cultivar: Max Red Bartlett, Rosired e Sensation. Questa mutazione è ereditabile e usando come genitore uno dei sopra-citati mutanti per il rosso sono state prodotte altre cultivar caratterizzate da buccia rossa come Cascade. Max Red Bartlett presenta una intensa colorazione rossa nelle prime fasi di maturazione per poi striarsi perdendo di lucentezza e non ricoprendo totalmente la superficie del frutto. Max Red Bartlett ha inoltre il problema di regressione del colore. Questa mutazione infatti non è stabile e dopo qualche anno può regredire e presentare il fenotipo di William. Diverso è invece lo sviluppo per esempio di Rosired che durante le prime fasi di accrescimento del frutto è identica a Williams (di colore verde con la parte del frutto rivolta verso il sole leggermente rossastra) per poi virare e mantenere un vivo colore rosso su tutta la superficie del frutto. Questa tesi si è proposta di caratterizzare questa mutazione che coinvolge in qualche modo la via biosintetica per la sintesi del colore. In particolare si è cercato di investigare sui probabili geni della via degli antociani coinvolti e in quale modo vengono espressi durante la maturazione del frutto, inoltre si è cercato di trovare quali specifiche molecole venissero diversamente sintetizzate. Le cultivar utilizzate sono state William e Max Red Bartlett. Di quest’ultima era già disponibile una mappa molecolare, ottenuta sulla popolazione di’incrocio di Abate Fetel (gialla) x MRB (rossa) con AFLP e SSR, quest’ultimi hanno permesso di denominare i diversi linkage group grazie alla sintenia con le altre mappe di pero e di melo. I semenzali appartenenti a questa popolazione, oltre a dimostrare l’ereditarietà del carattere, erano per il 50% gialli e 50% rossi. Questo ha permesso il mappaggio di questo carattere/mutazione che si è posizionato nel linkage group 4. Una ricerca in banca dati eseguita in parallelo ha permesso di trovare sequenze di melo dei geni coinvolti nella via biosintetica degli antociani (CHS, CHI, F3H, DFR, ANS e UFGT), sulle quali è stato possibile disegnare primer degenerati che amplificassero su DNA genomico di pero. Le amplificazioni hanno dato frammenti di lunghezza diversa. Infatti nel caso di F3H e DFR l’altissima omologia tra melo e pero ha permesso l’amplificazione quasi totale del gene, negli altri casi invece è stato necessario utilizzare primer sempre più vicini in modo da facilitare l’amplificazione. I frammenti ottenuti sono stati clonati sequenziati per confermare la specificità degli amplificati. Non sono stati evidenziati polimorfismi di sequenza in nessuna delle sei sequenze tra William e Max Red Bartlett e nessun polimorfismo con Abate, per questo motivo non è stato possibile mapparli e vedere se qualcuno di questi geni era localizzato nella medesima posizione in cui era stato mappato il “colore/mutazione”. Sulle le sequenze ottenute è stato possibile disegnare altri primer, questa volta specifici, sia per analisi d’espressione. Inizialmente è stato sintetizzato il cDNA dei geni suddetti per retrotrascrizione da RNA estratto sia da bucce sia da foglie appena germogliate (le quali presentano solo in questa fase una colorazione rossastra in MRB ma non in William). Al fine di osservare come varia l’espressione dei geni della via biosintetica delle antocianine durante la fase di maturazione dei frutti, sono stati fatti 4 campionamenti, il primo a 45gg dalla piena fioritura, poi a 60, 90, 120 giorni. Foglie e bucce sono state prelevate in campo e poste immediatamente in azoto liquido. Dai risultati con Real Time è emerso che vi è una maggiore espressione nelle prime fasi di sviluppo in Max Red Bartlett per poi calare enormemente in giugno. Si potrebbe ipotizzare che ci sia una reazione di feed back da parte della piante considerando che in questa fase il frutto non si accresce. I livelli di espressione poi aumentano verso la fase finale della maturazione del frutto. In agosto, con l’ultimo campionamento vi è una espressione assai maggiore in Max Red Bartlett per quei geni posti a valle della via biosintetica per la sintesi delle antocianine. Questo risultato è confermato anche dal livello di espressione che si riscontra nelle foglie. In cui i geni F3H, LDOX e UFGT hanno un livello di espressione nettamente maggiore in Max Red Bartlett rispetto a William. Recentemente Takos et al (2006) hanno pubblicato uno studio su un gene regolatore della famiglia Myb e ciò ha permesso di ampliare i nostri studi anche su questo gene. L’altissima omologia di sequenza, anche a livello di introni, non ha permesso di individuare polimorfismi tra le varietà Abate Fetel e Max Red Bartlett, per nessun gene ad eccezione proprio del gene regolatore Myb. I risultati ottenuti in questa tesi dimostrano che in pero l’espressione relativa del gene Myb codificante per una proteina regolatrice mostra una netta sovra-espressione nel primo stadio di maturazione del frutto, in Max Red Bartlett 25 volte maggiore che in William. All’interno della sequenza del gene un polimorfismo prodotto da un microsatellite ha permesso il mappaggio del gene nel linkage group 9 in Max Red Bartlett e in Abate Fetel. Confrontando questo dato di mappa con quello del carattere morfologico rosso, mappato nel linkage group 4, si deduce che la mutazione non agisce direttamente sulla sequenza di questo gene regolatore, benché sia espresso maggiormente in Max Red Bartlett rispetto a William ma agisca in un altro modo ancora da scoprire. Infine per entrambe le varietà (William e Max Red Bartlett) sono state effettuate analisi fenotipiche in diversi step. Innanzi tutto si è proceduto con una analisi preliminare in HPLC per osservare se vi fossero differenze nella produzione di composti con assorbenza specifica delle antocianine e dei flavonoidi in generale. Si è potuto quindi osservare la presenza di due picchi in Max Red Bartlett ma non in William. La mancanza di standard che coincidessero con i picchi rilevati dallo spettro non ha permesso in questa fase di fare alcuna ipotesi riguardo alla loro natura. Partendo da questo risultato l’investigazione è proceduta attraverso analisi di spettrometria di massa associate ad una cromatografia liquida identificando con una certa precisione due composti: la cianidina-3-0-glucoside e la quercitina-3-o-glucoside. In particolare la cianidina sembra essere la molecola responsabile della colorazione della buccia nei frutti di pero. Successive analisi sono state fatte sempre con lo spettrometro di massa ma collegato ad un gas cromatografo per verificare se vi fossero delle differenze anche nella produzione di zuccheri e più in generale di molecole volatili. L’assenza di variazioni significative ha dimostrato che la mutazione coinvolge solo il colore della buccia e non le caratteristiche gustative e organolettiche di William che restano inalterate nel mutante.

Studio genetico ed epidemiologico su Erysiphe necator agente eziologico dell'Oidio della vite

The objective was to analyse population structure and to determine genetic diversity of Erysiphe necator (syn. Uncinula necator) populations obtained from some vineyards located in the South-East Po valley (Italy). Powdery mildew is one of the most important fungal diseases of grapes (Vitis vinifera L.) throughout the world. The causal agent is the haploid, heterothallic ascomycete E. necator. It is an obligate biotrophic fungus and it can be found only on green organs of plants belonging to the family Vitaceae. For this pathogen, two sympatric populations (groups A and B) have been described in Europe and Australia. The two genetic groups differ at multiple genetic loci and previous studies reported a lack of interfertility among isolates of the two groups. There are now several well documented examples of plant pathogen species, such as Leptosphaeria maculans, Gaeumannomyces graminis var. tritici, Botrytis cinerea and Erysiphe syringae, which are indeed composed of genetically differentiated clades, that have led to the description of new groups or even new species. Several studies have suggested that genetic E. necator group A and B correlated with ecological features of the pathogen; some researchers proposed that group A isolates over-winter as resting mycelium within dormant buds, and in spring originate infected shoots, known as Flag shoots, while group B isolates would survive as ascospores in overwintering cleistothecia. However, the association between genetic groups and mode of over-wintering has been challenged by recent studies reporting that flag-shoot may be originated indifferently by group A or group B isolate. Previous studies observed a strong association between the levels of disease severity at the end of the growing season and the initial compositions of E. necator populations in commercial vineyards. The frequencies of E. necator genetic groups vary considerably among vineyards, and the two groups may coexist in the same vineyard. This finding suggests that we need more information on the genetics and epidemiology of E. necator for optimize the crop management In this study we monitored E. necator populations in different vineyards in Emilia – Romagna region (Italy), where the pathogen overwinters both as flagshoots and as cleistothecia. During the grape growing season, symptomatic leaves were sampled early in the growing season and both leaves and berries later during the epidemic growth of the disease. From each sample, single-conidial isolate was obtained. Each isolates was grown on V. vinifera leaf cv. Primitivo and after harvesting the mycelium, the DNA was purified and used as template for PCR amplification with SCAR primers (Sequences Characterised Amplified Region ), -tubulin, IGS sequences and Microsatellite markers (SSR). Amplified DNA from b-tubulin and IGS loci was digested with AciI and XhoI restriction enzymes, respectively, to show single-nucleotide polymorphisms specific for the two genetic groups. The results obtained indicated that SCAR primers are not useful to study the epidemiology. of E. necator conversely the b-tubulin IGS sequences and SSR. Summarize the results obtained with b-tubulin, IGS sequences, in treated vineyards we have found individuals of group B along all grape growing season, whereas in the untreated vineyard individuals of the two genetic groups A and B coexisted throughout the season, with no significant change of their frequency. DNA amplified from ascospores of single cleistothecia showed the presence of markers diagnostic for either groups A and B and were seldom observed also the coexistence of both groups within a claistothecium. These results indicate that individuals of the two groups mated in nature and were able to produced ascospores. With SSR we showed the possibility of recombination between A and B groups in field isolates. During winter, cleistothecia were collected repeatedly in the same vineyards sampling leaves fallen on ground, exfoliating bark from trunks, and from soil. From each substrate, was assess the percentage of cleistothecia containing viable ascospores. Our results confirmed that cleisthotecia contained viable ascospores, therefore they have the potential to be an additional and important source of primary inoculum in Emilia-Romagna vineyards.

Phylogeny and population dynamics in European Reticulitermes and Kalotermes genera (Insecta, Isoptera)

The aim of this thesis is to detect the phylogeny and the population dynamics of the European termites of the genera Reticulitermes and Kalotermes, by the use of different mitochondrial (16S, COI/tRNA/COII, CR) and nuclear (microsatellites and Inter-SINE) molecular markers. In the phylogenetic analyses, the obtained results have well defined the cladogenetic events that generated the nowadays species biodiversity of the genus Reticulitermes, while the analysis of the Kalotermes flavicollis taxon showed the presence of at least four genetic clades, defined on the basis of the geographical distance. The second part of the thesis is centred on the population dynamics of two species: Reticulitermes urbis and Kalotermes flavicollis. The first species, native of the Balkans, is known to be present in some cities of Italy and France. I’ve analyzed the colony genetic structure of the introduced population of Bagnacavallo (RA, Italy), using nine microsatellite loci. The obtained results are in accordance with those obtained from another population in France: this species in fact confirms its invasive and infestation capacities. The analysis of the natural population of K. flavicollis, performed with a combination of mitochondrial (control region) and nuclear (microsatellites and I-SINE) markers, clearly evidenced the presence of two genetic lineages that coexist in the same area. Moreover, results clearly indicate that the cross-breeding is allowed. Finally, the whole results are discussed in a comparative view to better understand the differences in ecology, evolutionary dynamics and colony social structure between these two genera.

Struttura di popolazione in gamberi aristeidi (Decapoda, Aristeidae) nel Mediterraneo occidentale mediante l'utilizzo di loci microsatelliti

Il lavoro svolto durante il dottorato di ricerca ha permesso lo sviluppo e la verifica della attendibilità di marcatori molecolari neutrali (loci microsatelliti) specifici per Aristeus antennatus. Tali marcatori sono stati poi utilizzati per studiare la struttura genetica di popolazione della specie del Mediterraneo occidentale e i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli di un progetto di ricerca parallelo su Aristeaomorpha foliacea, analizzando differenze ed analogie fra le due specie. I risultati delle analisi su Aristeus antennatus hanno evidenziato una completa assenza di struttura di popolazione e come i due sessi contribuiscano in modo diverso al flusso genico. La specie infatti presenta un sex-ratio a favore dei maschi oltre gli 800m, mentre tale rappoorto è a favore delle femmine in strati più superficiali, dove sono probabilmente soggette a condizioni oceanografiche più dispersive. Tramite test genetici appropriati è stato possibile valutare indirettamente il grado di dospersione dei sessi dimostrando che nell'area analizzati i maschi erano rappresentati maggiormente da individui stanziali, mentre gli individui di sesso femminile erano migranti. Le femmine appaiono pertanto giocare un ruolo preminente rispetto ai maschi nel determinare l'entità del flusso genico. Il confronto dei risultati ottenuti in Aristeus antennatus con quelli di Aristaeomorpha foliacea ha evidenziato la relazione fra alta capacità dispersiva, sia allo stato larvale che adulto, e completo rimescolamento genetico nei gamberi aristeidi nel Mediterraneo occidentale anche se in quest'ultima specie non ci sono evidenze di dispersione genetica mediata dal sesso. E' pertanto di forte interesse (dato anche il valore economico di questi organismi) come una struttura di popolazione qualitativamente e quantitavamente comporabile venga raggiunta con dinamiche di popolazione molto diverse.

The genetic signature of Neolithic in Greece

The Neolithic is characterized by the transition from a subsistence economy, based on hunting and gathering, to one based on food producing. This important change was paralleled by one of the most significant demographic increase in the recent history of European populations. The earliest Neolithic sites in Europe are located in Greece. However, the debate regarding the colonization route followed by the Middle-eastern farmers is still open. Based on archaeological, archaeobotanical, craniometric and genetic data, two main hypotheses have been proposed. The first implies the maritime colonization of North-eastern Peloponnesus from Crete, whereas the second points to an island hopping route that finally brought migrants to Central Greece. To test these hypotheses using a genetic approach, 206 samples were collected from the two Greek regions proposed as the arrival point of the two routes (Korinthian district and Euboea). Expectations for each hypothesis were compared with empirical observations based on the analysis of 60 SNPs and 26 microsatellite loci of Y-chromosome and mitochondrial DNA hypervariable region I. The analysis of Y-chromosome haplogroups revealed a strong genetic affinity of Euboea with Anatolian and Middle-eastern populations. The inferences of the time since population expansion suggests an earlier usage of agriculture in Euboea. Moreover, the haplogroup J2a-M410, supposed to be associated with the Neolithic transition, was observed at higher frequency and variance in Euboea showing, for both these parameters, a decreasing gradient moving from this area. The time since expansion estimates for J2a-M410 was found to be compatible with the Neolithic and slightly older in Euboea. The analysis of mtDNA resulted less informative. However, a higher genetic affinity of Euboea with Anatolian and Middle-eastern populations was confirmed. These results taken as a whole suggests that the most probable route followed by Neolithic farmers during the colonization of Greece was the island hopping route.

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

Innovative architecture of on-board and on-ground radio systems for space communication

The radio communication system is one of the most critical system of the overall satellite platform: it often represents the only way of communication, between a spacecraft and the Ground Segment or among a constellation of satellites. This thesis focuses on specific innovative architectures for on-board and on-ground radio systems. In particular, this work is an integral part of a space program started in 2004 at the University of Bologna, Forlì campus, which led to the completion of the microsatellite ALMASat-1, successfully launched on-board the VEGA maiden flight. The success of this program led to the development of a second microsatellite, named ALMASat-EO, a three-axis stabilized microsatellite able to capture images of the Earth surface. Therefore, the first objective of this study was focused on the investigation of an innovative, efficient and low cost architecture for on-board radio communication systems. The TT&C system and the high data rate transmitter for images downlink design and realization are thoroughly described in this work, together with the development of the embedded hardware and the adopted antenna systems. Moreover, considering the increasing interest in the development of constellations of microsatellite, in particular those flying in close formations, a careful analysis has been carried out for the development of innovative communication protocols for inter-satellite links. Furthermore, in order to investigate the system aspects of space communications, a study has been carried out at ESOC having as objective the design, implementation and test of two experimental devices for the enhancement of the ESA GS. Thus, a significant portion of this thesis is dedicated to the description of the results of a method for improving the phase stability of GS radio frequency equipments by means of real-time phase compensation and a new way to perform two antennas arraying tracking using already existing ESA tracking stations facilities.