Enhancement of Trajectory Determination of Orbiter Spacecraft by Using Pairs of Planetary Optical Images

The subject of the present thesis is about the enhancement of orbiter spacecraft navigation capabilities obtained by the standard radiometric link, taking advantage of an imaging payload and making use of a novel definition of optical measurements. An ESA Mission to Mercury called BepiColombo, was selected as a reference case for this study, and in particular its Mercury Planetary Orbiter (MPO), because of the presence of SIMBIO-SYS, an instrument suite part of the MPO payload, capable of acquiring high resolution images of the surface of Mercury. The use of optical measurements for navigation, can provide complementary informations with respect to Doppler, for enhanced performances or a relaxation of the radio tracking requisites in term of ground station schedule. Classical optical techniques based on centroids, limbs or landmarks, were the base to a novel idea for optical navigation, inspired by concepts of stereoscopic vision. In brief, the relation between two overlapped images acquired by a nadir pointed orbiter spacecraft at different times, was defined, and this information was then formulated into an optical measurement, to be processed by a navigation filter. The formulation of this novel optical observable is presented, moreover the analysis of the possible impact on the mission budget and images scheduling is addressed. Simulations are conducted using an orbit determination software already in use for spacecraft navigation in which the proposed optical measurements were implemented and the final results are given.

Deep and near space tracking stations in support of lunar and planetary exploration missions

The aim of this dissertation is to describe the methodologies required to design, operate, and validate the performance of ground stations dedicated to near and deep space tracking, as well as the models developed to process the signals acquired, from raw data to the output parameters of the orbit determination of spacecraft. This work is framed in the context of lunar and planetary exploration missions by addressing the challenges in receiving and processing radiometric data for radio science investigations and navigation purposes. These challenges include the designing of an appropriate back-end to read, convert and store the antenna voltages, the definition of appropriate methodologies for pre-processing, calibration, and estimation of radiometric data for the extraction of information on the spacecraft state, and the definition and integration of accurate models of the spacecraft dynamics to evaluate the goodness of the recorded signals. Additionally, the experimental design of acquisition strategies to perform direct comparison between ground stations is described and discussed. In particular, the evaluation of the differential performance between stations requires the designing of a dedicated tracking campaign to maximize the overlap of the recorded datasets at the receivers, making it possible to correlate the received signals and isolate the contribution of the ground segment to the noise in the single link. Finally, in support of the methodologies and models presented, results from the validation and design work performed on the Deep Space Network (DSN) affiliated nodes DSS-69 and DSS-17 will also be reported.

Framing climate change: a planetary health perspective on the pediatric age

This thesis analyzes an analysis of the risk perception of Italian paediatricians and parents regarding the impact of climate change on pediatric health. The consequences of climate change are now before our eyes; the recent pandemic has highlighted the impact that the destruction of ecosystems and global warming can have on our health. Fragile subjects will pay the most for the consequences of this crisis: children, the elderly, pregnant women. According to the World Health Organization (WHO), 88% of the disease burden linked to climate change falls on children under the age of 5. Climate change poses a challenge of equity not only between different areas of the world but also between generations: the worst consequences will weigh on those who have not caused damage to the ecosystem. This study began by studying the risk perceptions of the two main caregivers who deal with the child's health: parents and paediatricians. The study analyzed a mixed methods approach, exploiting quantitative and qualitative approaches. Two surveys were carried out in collaboration with the Italian Society of Pediatrics (SIP) and AGE, the Italian Parents' Association, using a tool already consolidated in the literature and adapted according to the needs of the thesis. Sixty semi-structured interviews were then conducted with pediatricians of different age groups and different regions of Italy. The collected data were then compared with the literature on the subject, in order to understand differences and similarities. This work is part of a still rather scarce, but growing, field of literature and represents the first study of this type in Italy.

Sulla ricerca del minimo dei consumi per vetture sportive

La ricerca oggetto di questa tesi, come si evince dal titolo stesso, è volta alla riduzione dei consumi per vetture a forte carattere sportivo ed elevate prestazioni specifiche. In particolare, tutte le attività descritte fanno riferimento ad un ben definito modello di vettura, ovvero la Maserati Quattroporte. Lo scenario all’interno del quale questo lavoro si inquadra, è quello di una forte spinta alla riduzione dei cosiddetti gas serra, ossia dell’anidride carbonica, in linea con quelle che sono le disposizioni dettate dal protocollo di Kyoto. La necessità di ridurre l’immissione in atmosfera di CO2 sta condizionando tutti i settori della società: dal riscaldamento degli edifici privati a quello degli stabilimenti industriali, dalla generazione di energia ai processi produttivi in senso lato. Nell’ambito di questo panorama, chiaramente, sono chiamati ad uno sforzo considerevole i costruttori di automobili, alle quali è imputata una percentuale considerevole dell’anidride carbonica prodotta ogni giorno e riversata nell’atmosfera. Al delicato problema inquinamento ne va aggiunto uno forse ancor più contingente e diretto, legato a ragioni di carattere economico. I combustibili fossili, come tutti sanno, sono una fonte di energia non rinnovabile, la cui disponibilità è legata a giacimenti situati in opportune zone del pianeta e non inesauribili. Per di più, la situazione socio politica che il medio oriente sta affrontando, unita alla crescente domanda da parte di quei paesi in cui il processo di industrializzazione è partito da poco a ritmi vertiginosi, hanno letteralmente fatto lievitare il prezzo del petrolio. A causa di ciò, avere una vettura efficiente in senso lato e, quindi, a ridotti consumi, è a tutti gli effetti un contenuto di prodotto apprezzato dal punto di vista del marketing, anche per i segmenti vettura più alti. Nell’ambito di questa ricerca il problema dei consumi è stato affrontato come una conseguenza del comportamento globale della vettura in termini di efficienza, valutando il miglior compromesso fra le diverse aree funzionali costituenti il veicolo. Una parte consistente del lavoro è stata dedicata alla messa a punto di un modello di calcolo, attraverso il quale eseguire una serie di analisi di sensibilità sull’influenza dei diversi parametri vettura sul consumo complessivo di carburante. Sulla base di tali indicazioni, è stata proposta una modifica dei rapporti del cambio elettro-attuato con lo scopo di ottimizzare il compromesso tra consumi e prestazioni, senza inficiare considerevolmente queste ultime. La soluzione proposta è stata effettivamente realizzata e provata su vettura, dando la possibilità di verificare i risultati ed operare un’approfondita attività di correlazione del modello di calcolo per i consumi. Il beneficio ottenuto in termini di autonomia è stato decisamente significativo con riferimento sia ai cicli di omologazione europei, che a quelli statunitensi. Sono state inoltre analizzate le ripercussioni dal punto di vista delle prestazioni ed anche in questo caso i numerosi dati rilevati hanno permesso di migliorare il livello di correlazione del modello di simulazione per le prestazioni. La vettura con la nuova rapportatura proposta è stata poi confrontata con un prototipo di Maserati Quattroporte avente cambio automatico e convertitore di coppia. Questa ulteriore attività ha permesso di valutare il differente comportamento tra le due soluzioni, sia in termini di consumo istantaneo, che di consumo complessivo rilevato durante le principali missioni su banco a rulli previste dalle normative. L’ultima sezione del lavoro è stata dedicata alla valutazione dell’efficienza energetica del sistema vettura, intesa come resistenza all’avanzamento incontrata durante il moto ad una determinata velocità. Sono state indagate sperimentalmente le curve di “coast down” della Quattroporte e di alcune concorrenti e sono stati proposti degli interventi volti alla riduzione del coefficiente di penetrazione aerodinamica, pur con il vincolo di non alterare lo stile vettura.

Modellizzazione numerica e caratterizzazione sperimentale di macchine e componenti oleodinamici

Nella prima parte di questa tesi di dottorato sono presentate le attività svolte, di carattere numerico, ai fini della modellizzazione di macchine volumetriche ad ingranaggi esterni. In particolare viene dapprima presentato un modello a parametri concentrati utilizzato per l’analisi dei fenomeni che coinvolgono l’area di ingranamento della macchina; un codice di calcolo associato al modello è stato sviluppato ed utilizzato per la determinazione dell’influenza delle condizioni di funzionamento e delle caratteristiche geometriche della macchina sulle sovra-pressioni e sull’eventuale instaurarsi della cavitazione nei volumi tra i denti che si trovano nell’area di ingranamento. In seguito vengono presentati i risultati ottenuti dall’analisi del bilanciamento assiale di diverse unità commerciali, evidenziando l’influenza delle caratteristiche geometriche delle fiancate di bilanciamento; a questo proposito, viene presentato anche un semplice modello a parametri concentrati per valutare il rendimento volumetrico della macchina ad ingranaggi esterni, con l’intenzione di usare tale parametro quale indice qualitativo della bontà del bilanciamento assiale. Infine, viene presentato un modello completo della macchina ad ingranaggi esterni, realizzato in un software commerciale a parametri concentrati, che permette di analizzare nel dettaglio il funzionamento della macchina e di studiare anche l’interazione della stessa con il circuito idraulico in cui è inserita. Nella seconda parte della tesi si presentano le attività legate alla messa in funzione di due banchi prova idraulici per la caratterizzazione sperimentale di macchine volumetriche e componenti di regolazione, con particolare attenzione dedicata alla messa a punto del sistema di acquisizione e gestione dei dati sperimentali; si presentano infine i risultati di alcune prove eseguite su componenti di regolazione e macchine volumetriche.

Fault detection in rotating machines by vibration signal processing techniques

Machines with moving parts give rise to vibrations and consequently noise. The setting up and the status of each machine yield to a peculiar vibration signature. Therefore, a change in the vibration signature, due to a change in the machine state, can be used to detect incipient defects before they become critical. This is the goal of condition monitoring, in which the informations obtained from a machine signature are used in order to detect faults at an early stage. There are a large number of signal processing techniques that can be used in order to extract interesting information from a measured vibration signal. This study seeks to detect rotating machine defects using a range of techniques including synchronous time averaging, Hilbert transform-based demodulation, continuous wavelet transform, Wigner-Ville distribution and spectral correlation density function. The detection and the diagnostic capability of these techniques are discussed and compared on the basis of experimental results concerning gear tooth faults, i.e. fatigue crack at the tooth root and tooth spalls of different sizes, as well as assembly faults in diesel engine. Moreover, the sensitivity to fault severity is assessed by the application of these signal processing techniques to gear tooth faults of different sizes.

Sulla energia dissipata in alcuni organi di macchina

Questa tesi riguarda l'analisi delle trasmissioni ad ingranaggi e delle ruote dentate in generale, nell'ottica della minimizzazione delle perdite di energia. È stato messo a punto un modello per il calcolo della energia e del calore dissipati in un riduttore, sia ad assi paralleli sia epicicloidale. Tale modello consente di stimare la temperatura di equilibrio dell'olio al variare delle condizioni di funzionamento. Il calcolo termico è ancora poco diffuso nel progetto di riduttori, ma si è visto essere importante soprattutto per riduttori compatti, come i riduttori epicicloidali, per i quali la massima potenza trasmissibile è solitamente determinata proprio da considerazioni termiche. Il modello è stato implementato in un sistema di calcolo automatizzato, che può essere adattato a varie tipologie di riduttore. Tale sistema di calcolo consente, inoltre, di stimare l'energia dissipata in varie condizioni di lubrificazione ed è stato utilizzato per valutare le differenze tra lubrificazione tradizionale in bagno d'olio e lubrificazione a “carter secco” o a “carter umido”. Il modello è stato applicato al caso particolare di un riduttore ad ingranaggi a due stadi: il primo ad assi paralleli ed il secondo epicicloidale. Nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Brevini S.p.A. di Reggio Emilia, sono state condotte prove sperimentali su un prototipo di tale riduttore, prove che hanno consentito di tarare il modello proposto [1]. Un ulteriore campo di indagine è stato lo studio dell’energia dissipata per ingranamento tra due ruote dentate utilizzando modelli che prevedano il calcolo di un coefficiente d'attrito variabile lungo il segmento di contatto. I modelli più comuni, al contrario, si basano su un coefficiente di attrito medio, mentre si può constatare che esso varia sensibilmente durante l’ingranamento. In particolare, non trovando in letteratura come varia il rendimento nel caso di ruote corrette, ci si è concentrati sul valore dell'energia dissipata negli ingranaggi al variare dello spostamento del profilo. Questo studio è riportato in [2]. È stata condotta una ricerca sul funzionamento di attuatori lineari vite-madrevite. Si sono studiati i meccanismi che determinano le condizioni di usura dell'accoppiamento vite-madrevite in attuatori lineari, con particolare riferimento agli aspetti termici del fenomeno. Si è visto, infatti, che la temperatura di contatto tra vite e chiocciola è il parametro più critico nel funzionamento di questi attuatori. Mediante una prova sperimentale, è stata trovata una legge che, data pressione, velocità e fattore di servizio, stima la temperatura di esercizio. Di tale legge sperimentale è stata data un'interpretazione sulla base dei modelli teorici noti. Questo studio è stato condotto nell'ambito di un contratto di ricerca tra il DIEM e la Ognibene Meccanica S.r.l. di Bologna ed è pubblicato in [3].

Troposphere Calibration Techniques for Deep Space Probe Tracking

Ground-based Earth troposphere calibration systems play an important role in planetary exploration, especially to carry out radio science experiments aimed at the estimation of planetary gravity fields. In these experiments, the main observable is the spacecraft (S/C) range rate, measured from the Doppler shift of an electromagnetic wave transmitted from ground, received by the spacecraft and coherently retransmitted back to ground. If the solar corona and interplanetary plasma noise is already removed from Doppler data, the Earth troposphere remains one of the main error sources in tracking observables. Current Earth media calibration systems at NASA’s Deep Space Network (DSN) stations are based upon a combination of weather data and multidirectional, dual frequency GPS measurements acquired at each station complex. In order to support Cassini’s cruise radio science experiments, a new generation of media calibration systems were developed, driven by the need to achieve the goal of an end-to-end Allan deviation of the radio link in the order of 3×〖10〗^(-15) at 1000 s integration time. The future ESA’s Bepi Colombo mission to Mercury carries scientific instrumentation for radio science experiments (a Ka-band transponder and a three-axis accelerometer) which, in combination with the S/C telecommunication system (a X/X/Ka transponder) will provide the most advanced tracking system ever flown on an interplanetary probe. Current error budget for MORE (Mercury Orbiter Radioscience Experiment) allows the residual uncalibrated troposphere to contribute with a value of 8×〖10〗^(-15) to the two-way Allan deviation at 1000 s integration time. The current standard ESA/ESTRACK calibration system is based on a combination of surface meteorological measurements and mathematical algorithms, capable to reconstruct the Earth troposphere path delay, leaving an uncalibrated component of about 1-2% of the total delay. In order to satisfy the stringent MORE requirements, the short time-scale variations of the Earth troposphere water vapor content must be calibrated at ESA deep space antennas (DSA) with more precise and stable instruments (microwave radiometers). In parallel to this high performance instruments, ESA ground stations should be upgraded to media calibration systems at least capable to calibrate both troposphere path delay components (dry and wet) at sub-centimetre level, in order to reduce S/C navigation uncertainties. The natural choice is to provide a continuous troposphere calibration by processing GNSS data acquired at each complex by dual frequency receivers already installed for station location purposes. The work presented here outlines the troposphere calibration technique to support both Deep Space probe navigation and radio science experiments. After an introduction to deep space tracking techniques, observables and error sources, in Chapter 2 the troposphere path delay is widely investigated, reporting the estimation techniques and the state of the art of the ESA and NASA troposphere calibrations. Chapter 3 deals with an analysis of the status and the performances of the NASA Advanced Media Calibration (AMC) system referred to the Cassini data analysis. Chapter 4 describes the current release of a developed GNSS software (S/W) to estimate the troposphere calibration to be used for ESA S/C navigation purposes. During the development phase of the S/W a test campaign has been undertaken in order to evaluate the S/W performances. A description of the campaign and the main results are reported in Chapter 5. Chapter 6 presents a preliminary analysis of microwave radiometers to be used to support radio science experiments. The analysis has been carried out considering radiometric measurements of the ESA/ESTEC instruments installed in Cabauw (NL) and compared with the requirements of MORE. Finally, Chapter 7 summarizes the results obtained and defines some key technical aspects to be evaluated and taken into account for the development phase of future instrumentation.

Analisi della dinamica e composizione chimica del particolato atmosferico mediante un modello alla mesoscala

The vertical profile of aerosol in the planetary boundary layer of the Milan urban area is studied in terms of its development and chemical composition in a high-resolution modelling framework. The period of study spans a week in summer of 2007 (12-18 July), when continuous LIDAR measurements and a limited set of balloon profiles were collected in the frame of the ASI/QUITSAT project. LIDAR observations show a diurnal development of an aerosol plume that lifts early morning surface emissions to the top of the boundary layer, reaching maximum concentration around midday. Mountain breeze from Alps clean the bottom of the aerosol layer, typically leaving a residual layer at around 1500-2000 m which may survive for several days. During the last two days under analysis, a dust layer transported from Sahara reaches the upper layers of Milan area and affects the aerosol vertical distribution in the boundary layer. Simulation from the MM5/CHIMERE modelling system, carried out at 1 km horizontal resolution, qualitatively reproduced the general features of the Milan aerosol layer observed with LIDAR, including the rise and fall of the aersol plume, the residual layer in altitude and the Saharan dust event. The simulation highlighted the importance of nitrates and secondary organics in its composition. Several sensitivity tests showed that main driving factors leading to the dominance of nitrates in the plume are temperature and gas absorption process. A modelling study turn to the analysis of the vertical aerosol profiles distribution and knowledge of the characterization of the PM at a site near the city of Milan is performed using a model system composed by a meteorological model MM5 (V3-6), the mesoscale model from PSU/NCAR and a Chemical Transport Model (CTM) CHIMERE to simulate the vertical aerosol profile. LiDAR continuous observations and balloon profiles collected during two intensive campaigns in summer 2007 and in winter 2008 in the frame of the ASI/QUITSAT project have been used to perform comparisons in order to evaluate the ability of the aerosol chemistry transport model CHIMERE to simulate the aerosols dynamics and compositions in this area. The comparisons of model aerosols with measurements are carried out over a full time period between 12 July 2007 and 18 July 2007. The comparisons demonstrate the ability of the model to reproduce correctly the aerosol vertical distributions and their temporal variability. As detected by the LiDAR, the model during the period considered, predicts a diurnal development of a plume during the morning and a clearing during the afternoon, typically the plume reaches the top of the boundary layer around mid day, in this time CHIMERE produces highest concentrations in the upper levels as detected by LiDAR. The model, moreover can reproduce LiDAR observes enhancement aerosols concentrations above the boundary layer, attributing the phenomena to dust out intrusion. Another important information from the model analysis regard the composition , it predicts that a large part of the plume is composed by nitrate, in particular during 13 and 16 July 2007 , pointing to the model tendency to overestimates the nitrous component in the particular matter vertical structure . Sensitivity study carried out in this work show that there are a combination of different factor which determine the major nitrous composition of the “plume” observed and in particular humidity temperature and the absorption phenomena are the mainly candidate to explain the principal difference in composition simulated in the period object of this study , in particular , the CHIMERE model seems to be mostly sensitive to the absorption process.

Comparative Analysis of Alternative Hybrid Systems for Automotive Applications

The main objective of this work was to investigate the impact of different hybridization concepts and levels of hybridization on fuel economy of a standard road vehicle where both conventional and non-conventional hybrid architectures are treated exactly in the same way from the point of view of overall energy flow optimization. Hybrid component models were developed and presented in detail as well as the simulations results mainly for NEDC cycle. The analysis was performed on four different parallel hybrid powertrain concepts: Hybrid Electric Vehicle (HEV), High Speed Flywheel Hybrid Vehicle (HSF-HV), Hydraulic Hybrid Vehicle (HHV) and Pneumatic Hybrid Vehicle (PHV). In order to perform equitable analysis of different hybrid systems, comparison was performed also on the basis of the same usable system energy storage capacity (i.e. 625kJ for HEV, HSF and the HHV) but in the case of pneumatic hybrid systems maximal storage capacity was limited by the size of the systems in order to comply with the packaging requirements of the vehicle. The simulations were performed within the IAV Gmbh - VeLoDyn software simulator based on Matlab / Simulink software package. Advanced cycle independent control strategy (ECMS) was implemented into the hybrid supervisory control unit in order to solve power management problem for all hybrid powertrain solutions. In order to maintain State of Charge within desired boundaries during different cycles and to facilitate easy implementation and recalibration of the control strategy for very different hybrid systems, Charge Sustaining Algorithm was added into the ECMS framework. Also, a Variable Shift Pattern VSP-ECMS algorithm was proposed as an extension of ECMS capabilities so as to include gear selection into the determination of minimal (energy) cost function of the hybrid system. Further, cycle-based energetic analysis was performed in all the simulated cases, and the results have been reported in the corresponding chapters.