Tracking, photometry and spectroscopy of space debris: the Malindi, Loiano, Las Campanas and Cerro Tololo observation campaign results

The main purpose of my thesis has been the analysis of the space debris environment and their characterization through optical measurements. In particular I had the opportunity to contribute to the Italian Space Agency activities in space debris optical observation campaign and I cooperated directly with NASA Orbital Debris Program Office by working at the Astronomy Department of the University of Michigan for six months.

Study of the rotational state of Titan using radio tracking data of the Dragonfly mission

Our solar system contains an impressive amount of celestial bodies. For example Saturn posses a huge variety of natural satellites, the diversity in size and physical proprieties of which might amaze imagination. The observational data gathered in 30 years range of deep space missions revealed, that some of these bodies can hide subsurface oceans under their crust. The water, as we know, serves as a fundamental base for a possible appearance of life. This statement is quite exited for the scientific society and serves as a reason for studying so called ”ocean worlds”. In order to detect the celestial bodies with the hidden subsurface ocean, one of the key aspects is the study of their rotational state, which is strongly coupled with the body internal structure. It can be done through the various techniques mentioned in Chapter 1. The main goal of the thesis is the study of rotational state of Titan, whose interior structure expectedly contains liquid ocean layer under its icy crust. Titan is the largest moon of Saturn and it is the second largest moon in the solar system in general. This natural satellite is of particular scientific interest, because it is one of a kind which has substantial atmosphere. The present work was done using radio tracking data of the Dragonfly mission which is one of the next NASA’s missions destined for Titan selected as a part of the New Frontiers Program in 2019. The detailed characteristic of the Dragonfly regarding the landing site and mission lifetime was reported in Chapter 2. The radio-tracking communication link from Titan side was performed using Dragonfly X band transponder according to the schedule tracking opportunity. From Earth side according to the mission, Deep Space Station 25 which is a part of NASA’s Deep Space Network was considered. Only Doppler data was used for studying Titan rotational state, even though there are other reliable techniques described in Chapter 3, that in general could be implemented.

Implementazione e caratterizzazione di PLL digitali per doppler tracking di sonde deep space

I Phase-Locked Loops sono circuiti ancora oggi utilizzati per la generazione di segnali coerenti in frequenza e in fase con i segnali in ingresso, motivo per cui sono uno degli strumenti della radio scienza per la ricostruzione dei segnali scambiati con le sonde e nascosti dal rumore accumulato nel tragitto che separa le sonde stesse dalle stazioni di tracking a terra. Questa tesi illustra l'implementazione di un PLL digitale linearizzato in Matlab e Simulink in una nuova veste rispetto al modello implementato durante l'attività di tirocinio curricolare, al fine di migliorarne le prestazioni per bassi carrier-to-noise density ratios. Il capitolo 1 si compone di due parti: la prima introduce all'ambito nel quale si inserisce il lavoro proposto, ossia la determinazione d'orbita; la seconda illustra i fondamenti della teoria dei segnali. Il capitolo 2 è incentrato sull'analisi dei Phase-Locked Loops, partendo da un'introduzione teorica e approdando all'implementazione di un modello in Simulink. Il capitolo 3, infine, mostra i risultati dell'applicazione del modello implementato in Simulink nell'analisi dei segnali di una missione realmente svolta.

Utilizzo metrico di immagini panoramiche satellitari CORONA

CAPITOLO 1 INTRODUZIONE Il lavoro presentato è relativo all’utilizzo a fini metrici di immagini satellitari storiche a geometria panoramica; in particolare sono state elaborate immagini satellitari acquisite dalla piattaforma statunitense CORONA, progettata ed impiegata essenzialmente a scopi militari tra gli anni ’60 e ’70 del secolo scorso, e recentemente soggette ad una declassificazione che ne ha consentito l’accesso anche a scopi ed utenti non militari. Il tema del recupero di immagini aeree e satellitari del passato è di grande interesse per un ampio spettro di applicazioni sul territorio, dall’analisi dello sviluppo urbano o in ambito regionale fino ad indagini specifiche locali relative a siti di interesse archeologico, industriale, ambientale. Esiste infatti un grandissimo patrimonio informativo che potrebbe colmare le lacune della documentazione cartografica, di per sé, per ovvi motivi tecnici ed economici, limitata a rappresentare l’evoluzione territoriale in modo asincrono e sporadico, e con “forzature” e limitazioni nel contenuto informativo legate agli scopi ed alle modalità di rappresentazione delle carte nel corso del tempo e per diversi tipi di applicazioni. L’immagine di tipo fotografico offre una rappresentazione completa, ancorché non soggettiva, dell’esistente e può complementare molto efficacemente il dato cartografico o farne le veci laddove questo non esista. La maggior parte del patrimonio di immagini storiche è certamente legata a voli fotogrammetrici che, a partire dai primi decenni del ‘900, hanno interessato vaste aree dei paesi più avanzati, o regioni di interesse a fini bellici. Accanto a queste, ed ovviamente su periodi più vicini a noi, si collocano le immagini acquisite da piattaforma satellitare, tra le quali rivestono un grande interesse quelle realizzate a scopo di spionaggio militare, essendo ad alta risoluzione geometrica e di ottimo dettaglio. Purtroppo, questo ricco patrimonio è ancora oggi in gran parte inaccessibile, anche se recentemente sono state avviate iniziative per permetterne l’accesso a fini civili, in considerazione anche dell’obsolescenza del dato e della disponibilità di altre e migliori fonti di informazione che il moderno telerilevamento ci propone. L’impiego di immagini storiche, siano esse aeree o satellitari, è nella gran parte dei casi di carattere qualitativo, inteso ad investigare sulla presenza o assenza di oggetti o fenomeni, e di rado assume un carattere metrico ed oggettivo, che richiederebbe tra l’altro la conoscenza di dati tecnici (per esempio il certificato di calibrazione nel caso delle camere aerofotogrammetriche) che sono andati perduti o sono inaccessibili. Va ricordato anche che i mezzi di presa dell’epoca erano spesso soggetti a fenomeni di distorsione ottica o altro tipo di degrado delle immagini che ne rendevano difficile un uso metrico. D’altra parte, un utilizzo metrico di queste immagini consentirebbe di conferire all’analisi del territorio e delle modifiche in esso intercorse anche un significato oggettivo che sarebbe essenziale per diversi scopi: per esempio, per potere effettuare misure su oggetti non più esistenti o per potere confrontare con precisione o co-registrare le immagini storiche con quelle attuali opportunamente georeferenziate. Il caso delle immagini Corona è molto interessante, per una serie di specificità che esse presentano: in primo luogo esse associano ad una alta risoluzione (dimensione del pixel a terra fino a 1.80 metri) una ampia copertura a terra (i fotogrammi di alcune missioni coprono strisce lunghe fino a 250 chilometri). Queste due caratteristiche “derivano” dal principio adottato in fase di acquisizione delle immagini stesse, vale a dire la geometria panoramica scelta appunto perché l’unica che consente di associare le due caratteristiche predette e quindi molto indicata ai fini spionaggio. Inoltre, data la numerosità e la frequenza delle missioni all’interno dell’omonimo programma, le serie storiche di questi fotogrammi permettono una ricostruzione “ricca” e “minuziosa” degli assetti territoriali pregressi, data appunto la maggior quantità di informazioni e l’imparzialità associabili ai prodotti fotografici. Va precisato sin dall’inizio come queste immagini, seppur rappresentino una risorsa “storica” notevole (sono datate fra il 1959 ed il 1972 e coprono regioni moto ampie e di grandissimo interesse per analisi territoriali), siano state molto raramente impiegate a scopi metrici. Ciò è probabilmente imputabile al fatto che il loro trattamento a fini metrici non è affatto semplice per tutta una serie di motivi che saranno evidenziati nei capitoli successivi. La sperimentazione condotta nell’ambito della tesi ha avuto due obiettivi primari, uno generale ed uno più particolare: da un lato il tentativo di valutare in senso lato le potenzialità dell’enorme patrimonio rappresentato da tali immagini (reperibili ad un costo basso in confronto a prodotti simili) e dall’altro l’opportunità di indagare la situazione territoriale locale per una zona della Turchia sud orientale (intorno al sito archeologico di Tilmen Höyük) sulla quale è attivo un progetto condotto dall’Università di Bologna (responsabile scientifico il Prof. Nicolò Marchetti del Dipartimento di Archeologia), a cui il DISTART collabora attivamente dal 2005. L’attività è condotta in collaborazione con l’Università di Istanbul ed il Museo Archeologico di Gaziantep. Questo lavoro si inserisce, inoltre, in un’ottica più ampia di quelle esposta, dello studio cioè a carattere regionale della zona in cui si trovano gli scavi archeologici di Tilmen Höyük; la disponibilità di immagini multitemporali su un ampio intervallo temporale, nonché di tipo multi sensore, con dati multispettrali, doterebbe questo studio di strumenti di conoscenza di altissimo interesse per la caratterizzazione dei cambiamenti intercorsi. Per quanto riguarda l’aspetto più generale, mettere a punto una procedura per il trattamento metrico delle immagini CORONA può rivelarsi utile all’intera comunità che ruota attorno al “mondo” dei GIS e del telerilevamento; come prima ricordato tali immagini (che coprono una superficie di quasi due milioni di chilometri quadrati) rappresentano un patrimonio storico fotografico immenso che potrebbe (e dovrebbe) essere utilizzato sia a scopi archeologici, sia come supporto per lo studio, in ambiente GIS, delle dinamiche territoriali di sviluppo di quelle zone in cui sono scarse o addirittura assenti immagini satellitari dati cartografici pregressi. Il lavoro è stato suddiviso in 6 capitoli, di cui il presente costituisce il primo. Il secondo capitolo è stato dedicato alla descrizione sommaria del progetto spaziale CORONA (progetto statunitense condotto a scopo di fotoricognizione del territorio dell’ex Unione Sovietica e delle aree Mediorientali politicamente correlate ad essa); in questa fase vengono riportate notizie in merito alla nascita e all’evoluzione di tale programma, vengono descritti piuttosto dettagliatamente gli aspetti concernenti le ottiche impiegate e le modalità di acquisizione delle immagini, vengono riportati tutti i riferimenti (storici e non) utili a chi volesse approfondire la conoscenza di questo straordinario programma spaziale. Nel terzo capitolo viene presentata una breve discussione in merito alle immagini panoramiche in generale, vale a dire le modalità di acquisizione, gli aspetti geometrici e prospettici alla base del principio panoramico, i pregi ed i difetti di questo tipo di immagini. Vengono inoltre presentati i diversi metodi rintracciabili in bibliografia per la correzione delle immagini panoramiche e quelli impiegati dai diversi autori (pochi per la verità) che hanno scelto di conferire un significato metrico (quindi quantitativo e non solo qualitativo come è accaduto per lungo tempo) alle immagini CORONA. Il quarto capitolo rappresenta una breve descrizione del sito archeologico di Tilmen Höyuk; collocazione geografica, cronologia delle varie campagne di studio che l’hanno riguardato, monumenti e suppellettili rinvenute nell’area e che hanno reso possibili una ricostruzione virtuale dell’aspetto originario della città ed una più profonda comprensione della situazione delle capitali del Mediterraneo durante il periodo del Bronzo Medio. Il quinto capitolo è dedicato allo “scopo” principe del lavoro affrontato, vale a dire la generazione dell’ortofotomosaico relativo alla zona di cui sopra. Dopo un’introduzione teorica in merito alla produzione di questo tipo di prodotto (procedure e trasformazioni utilizzabili, metodi di interpolazione dei pixel, qualità del DEM utilizzato), vengono presentati e commentati i risultati ottenuti, cercando di evidenziare le correlazioni fra gli stessi e le problematiche di diversa natura incontrate nella redazione di questo lavoro di tesi. Nel sesto ed ultimo capitolo sono contenute le conclusioni in merito al lavoro in questa sede presentato. Nell’appendice A vengono riportate le tabelle dei punti di controllo utilizzati in fase di orientamento esterno dei fotogrammi.

Space charge and dielectric response measurements to assess insulation aging of low-voltage cables used in nuclear power plants

The current design life of nuclear power plant (NPP) could potentially be extended to 80 years. During this extended plant life, all safety and operationally relevant Instrumentation & Control (I&C) systems are required to meet their designed performance requirements to ensure safe and reliable operation of the NPP, both during normal operation and subsequent to design base events. This in turn requires an adequate and documented qualification and aging management program. It is known that electrical insulation of I&C cables used in safety related circuits can degrade during their life, due to the aging effect of environmental stresses, such as temperature, radiation, vibration, etc., particularly if located in the containment area of the NPP. Thus several condition monitoring techniques are required to assess the state of the insulation. Such techniques can be used to establish a residual lifetime, based on the relationship between condition indicators and ageing stresses, hence, to support a preventive and effective maintenance program. The object of this thesis is to investigate potential electrical aging indicators (diagnostic markers) testing various I&C cable insulations subjected to an accelerated multi-stress (thermal and radiation) aging.

Progetto e realizzazione di un dispositivo di controllo e gestione remoto per un sistema di tracking satellitare (ALMATracker)

La seguente tesi presenta lo sviluppo di un sistema di controllo e gestione remota per il tracking di un satellite. Il progetto, denominato ALMATracker, è sviluppato dal corso di Ingegneria Aerospaziale della scuola di Ingegneria e Architettura Aerospaziale dell’Università di Bologna con sede a Forlì. Consiste nella creazione di una motorizzazione per antenne su due assi, movimentata da un hardware commerciale programmabile. Il posizionamento può essere eseguito sia manualmente, su richiesta di un utente da PC remoto, sia automaticamente secondo un’orbita preimpostata. I setpoint di velocità o posizione sono elaborati dal sistema fino ad ottenere un segnale che procede alla movimentazione in velocità dell’antenna. Il comando automatico, invece, orienta l’antenna in modo tale da mantenerla fissa su una traiettoria orbitale di uno specifico spacecraft. La movimentazione automatica segue funzioni polinomiali fornite dall’utente, ricavate da software di propagazione e predizione esterno al sistema ALMATracker. In questo caso il sistema deve procedere alla rotazione mantenendo la velocità richiesta dalla funzione polinomiale. Il controllo effettuato in catena chiusa è attuato tramite una serie di trasduttori di posizione presenti nel sistema.

Electrical spectroscopy of rubrene bulk and thin film crystals

One of the most diffused electronic device is the field effect transistor (FET), contained in number of billions in each electronic device. Organic optoelectronics is an emerging field that exploits the unique properties of conjugated organic materials to develop new applications that require a combination of performance, low cost and processability. Organic single crystals are the material with best performances and purity among the variety of different form of organic semiconductors. This thesis is focused on electrical and optical characterization of Rubrene single crystal bulk and thin films. Rubrene bulk is well known but for the first time we studied thin films. The first Current-voltage characterization has been performed for the first time on three Rubrene thin films with three different thickness to extract the charge carriers mobility and to assess its crystalline structure. As results we see that mobility increase with thickness. Field effect transistor based on Rubrene thin films on $SiO_2$ have been characterize by current-voltage (I-V) analyses (at several temperatures) and reveals a hopping conduction. Hopping behavior probably is due to the lattice mismatch with the substrate or intrinsic defectivity of the thin films. To understand effects of contact resistance we tested thin films with the Transmission Line Method (TLM) method. The TLM method revealeds that contact resistance is negligible but evidenced a Schottky behavior in a limited but well determined range of T. To avoid this effect we carried out annealing treatment after the electrode evaporation iswe performed a compete I-V characterization as a function of in temperature to extract the electronic density of states (DOS) distribution through the Space Charge Limited Current (SCLC) method. The results show a DOS with an exponential trenddistribution, as expected. The measured mobility of thin films is about 0.1cm^2/Vs and it increases with the film thickness. Further studies are necessary to investigate the reason and improve performances. From photocurrent spectrum we calculated an Eg of about 2.2eV and both thin films and bulk have a good crystal order. Further measurement are necessary to solve some open problems

Design of a GNSS receiver for the ESEO mission

This thesis was carried out inside the ESA's ESEO mission and focus in the design of one of the secondary payloads carried on board the spacecraft: a GNSS receiver for orbit determination. The purpose of this project is to test the technology of the orbit determination in real time applications by using commercial components. The architecture of the receiver includes a custom part, the navigation computer, and a commercial part, the front-end, from Novatel, with COCOM limitation removed, and a GNSS antenna. This choice is motivated by the goal of demonstrating the correct operations in orbit, enabling a widespread use of this technology while lowering the cost and time of the device’s assembly. The commercial front-end performs GNSS signal acquisition, tracking and data demodulation and provides raw GNSS data to the custom computer. This computer processes this raw observables, that will be both transferred to the On-Board Computer and then transmitted to Earth and provided as input to the recursive estimation filter on-board, in order to obtain an accurate positioning of the spacecraft, using the dynamic model. The main purpose of this thesis, is the detailed design and development of the mentioned GNSS receiver up to the ESEO project Critical Design Review, including requirements definition, hardware design and breadboard preliminary test phase design.

DTN discovery and routing: from space applications to terrestrial networks.

L'argomento di questa tesi è l'architettura di rete Delay-/Disruption-Tolerant Networking (DTN), progettata per operare nelle reti “challenged”, dove la suite di protocolli TCP/IP risulta inefficace a causa di lunghi ritardi di propagazione del segnale, interruzioni e disturbi di canale, ecc. Esempi di reti “challenged” variano dalle reti interplanetarie alle Mobile Ad-Hoc Networks (MANETs). Le principali implementazioni dell'architettura DTN sono DTN2, implementazione di riferimento, e ION, sviluppata da NASA JPL per applicazioni spaziali. Una grande differenza tra reti spaziali e terrestri è che nello spazio i movimenti dei nodi sono deterministici, mentre non lo sono per i nodi mobili terrestri, i quali generalmente non conoscono la topologia della rete. Questo ha portato allo sviluppo di diversi algoritmi di routing: deterministici per le reti spaziali e opportunistici per quelle terrestri. NASA JPL ha recentemente deciso di estendere l'ambito di applicazione di ION per supportare anche scenari non deterministici. Durante la tesi, svolta presso NASA JPL, mi sono occupato di argomenti diversi, tutti finalizzati a questo obiettivo. Inizialmente ho testato la nuova implementazione dell'algoritmo IP Neighbor Discovery (IPND) di ION, corretti i bug e prodotta la documentazione ufficiale. Quindi ho contribuito ad integrare il Contact Graph Routing (CGR) di ION nel simulatore DTN “ONE” utilizzando la Java Native Interface (JNI) come ponte tra il codice Java di ONE e il codice C di ION. In particolare ho adattato tutte le librerie di ION necessarie per far funzionare CGR all'interno dell'ambiente di ONE. Infine, dopo aver analizzato un dataset di tracce reali di nodi mobili, ho contribuito a progettare e a sviluppare OCGR, estensione opportunistica del CGR, quindi ne ho curato l'integrazione in ONE. I risultati preliminari sembrano confermare la validità di OCGR che, una volta messo a punto, può diventare un valido concorrente ai più rinomati algoritmi opportunistici.

Construction and test of a cosmic ray telescope based on CMS Drift Tube chambers and data acquisition prototypes of the Phase-2 upgrade

In this thesis work, a cosmic-ray telescope was set up in the INFN laboratories in Bologna using smaller size replicas of CMS Drift Tubes chambers, called MiniDTs, to test and develop new electronics for the CMS Phase-2 upgrade. The MiniDTs were assembled in INFN National Laboratory in Legnaro, Italy. Scintillator tiles complete the telescope, providing a signal independent of the MiniDTs for offline analysis. The telescope readout is a test system for the CMS Phase-2 upgrade data acquisition design. The readout is based on the early prototype of a radiation-hard FPGA-based board developed for the High Luminosity LHC CMS upgrade, called On Board electronics for Drift Tubes. Once the set-up was operational, we developed an online monitor to display in real-time the most important observables to check the quality of the data acquisition. We performed an offline analysis of the collected data using a custom version of CMS software tools, which allowed us to estimate the time pedestal and drift velocity in each chamber, evaluate the efficiency of the different DT cells, and measure the space and time resolution of the telescope system.

Confronto fra metodi di stima di frequenza tramite auto-regressione e metodi di analisi spettrale per la generazione di osservabili radiometriche in ambito Deep-Space

A partire dal problema di orbit determination per una sonda in deep-space, la tesi si concentra su sviluppo e confronto di algoritmi di stima della frequenza di segnali analitici per la verifica delle loro performance di accuratezza nella generazione di osservabili doppler. Le tecniche poste a confronto appartengono a due categorie: due tempo-discrete ed una spettrale; in particolare si vuole valutare come la modellazione ARMA dei segnali possa beneficiare le prime al punto da poterle considerare alternative all'altezza degli standard del settore aerospaziale.

Analysis of fragmentation cross sections of GSI 2021 data for the FOOT experiment

Hadrontherapy is a medical treatment based on the use of charged particles beams accelerated towards deep-seated tumors on clinical patients. The reason why it is increasingly used is the favorable depth dose profile following the Bragg Peak distribution, where the release of dose is almost sharply focused near the end of the beam path. However, nuclear interactions between the beam and the human body constituents occur, generating nuclear fragments which modify the dose profile. To overcome the lack of experimental data on nuclear fragmentation reactions in the energy range of hadrontherapy interest, the FOOT (FragmentatiOn Of Target) experiment has been conceived with the main aim of measuring differential nuclear fragmentation cross sections with an uncertainty lower than 5\%. The same results are of great interest also in the radioprotection field, studying similar processes. Long-term human missions outside the Earth’s orbit are going to be planned in the next years, among which the NASA foreseen travel to Mars, and it is fundamental to protect astronauts health and electronics from radiation exposure .\\ In this thesis, a first analysis of the data taken at the GSI with a beam of $^{16}O$ at 400 $MeV/u$ impinging on a target of graphite ($C$) will be presented, showing the first preliminary results of elemental cross section and angular differential cross section. A Monte Carlo dataset was first studied to test the performance of the tracking reconstruction algorithm and to check the reliability of the full analysis chain, from hit reconstruction to cross section measurement. An high agreement was found between generated and reconstructed fragments, thus validating the adopted procedure. A preliminary experimental cross section was measured and compared with MC results, highlighting a good consistency for all the fragments.

Graph-based User Scheduling for MIMO LEO-based Satellite Communication Systems

The study of the user scheduling problem in a Low Earth Orbit (LEO) Multi-User MIMO system is the objective of this thesis. With the application of cutting-edge digital beamforming algorithms, a LEO satellite with an antenna array and a large number of antenna elements can provide service to many user terminals (UTs) in full frequency reuse (FFR) schemes. Since the number of UTs on-ground are many more than the transmit antennas on the satellite, user scheduling is necessary. Scheduling can be accomplished by grouping users into different clusters: users within the same cluster are multiplexed and served together via Space Division Multiple Access (SDMA), i.e., digital beamforming or Multi-User MIMO techniques; the different clusters of users are then served on different time slots via Time Division Multiple Access (TDMA). The design of an optimal user grouping strategy is known to be an NP-complete problem which can be solved only through exhaustive search. In this thesis, we provide a graph-based user scheduling and feed space beamforming architecture for the downlink with the aim of reducing user inter-beam interference. The main idea is based on clustering users whose pairwise great-circle distance is as large as possible. First, we create a graph where the users represent the vertices, whereas an edge in the graph between 2 users exists if their great-circle distance is above a certain threshold. In the second step, we develop a low complex greedy user clustering technique and we iteratively search for the maximum clique in the graph, i.e., the largest fully connected subgraph in the graph. Finally, by using the 3 aforementioned power normalization techniques, a Minimum Mean Square Error (MMSE) beamforming matrix is deployed on a cluster basis. The suggested scheduling system is compared with a position-based scheduler, which generates a beam lattice on the ground and randomly selects one user per beam to form a cluster.

Studio e implementazione di algoritmi per il tracciamento ottimo di satellite LEO da stazioni di terra di tipo radioamatoriale

Questo elaborato di tesi ha l’obbiettivo di studiare le limitazioni delle stazioni di terra nel tracciamento di satelliti in orbita LEO, investigare possibili soluzioni ed implementare queste soluzioni all’interno della Ground Station AMGS di Forlì per verificarne l’efficacia. A questo scopo, dopo un’attenta revisione della letteratura sono stati identificati due promettenti algoritmi descritti nei paper: “Trajectory optimisation to minimise antenna pointing error” di P. S. Crawford , R. J. H. Brush e “An optimal antenna motion generation using shortest path planning” di Moon-Jin Jeon , Dong-Soo Kwon. Questi algoritmi sono stati implementi in Python 3, al fine di inglobarli all’interno del software di tracking al momento in uso nella GS di Forlì, ovvero AMGS Orbit Predictor. All’interno di questo elaborato sono anche riportati i risultati dei test conseguiti e una valutazione dettagliata di questi ultimi.