Simulation of bistatic radar experiments with deep space missions

L’obiettivo del lavoro esposto nella seguente relazione di tesi ha riguardato lo studio e la simulazione di esperimenti di radar bistatico per missioni di esplorazione planeteria. In particolare, il lavoro si è concentrato sull’uso ed il miglioramento di un simulatore software già realizzato da un consorzio di aziende ed enti di ricerca nell’ambito di uno studio dell’Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency – ESA) finanziato nel 2008, e svolto fra il 2009 e 2010. L’azienda spagnola GMV ha coordinato lo studio, al quale presero parte anche gruppi di ricerca dell’Università di Roma “Sapienza” e dell’Università di Bologna. Il lavoro svolto si è incentrato sulla determinazione della causa di alcune inconsistenze negli output relativi alla parte del simulatore, progettato in ambiente MATLAB, finalizzato alla stima delle caratteristiche della superficie di Titano, in particolare la costante dielettrica e la rugosità media della superficie, mediante un esperimento con radar bistatico in modalità downlink eseguito dalla sonda Cassini-Huygens in orbita intorno al Titano stesso. Esperimenti con radar bistatico per lo studio di corpi celesti sono presenti nella storia dell’esplorazione spaziale fin dagli anni ’60, anche se ogni volta le apparecchiature utilizzate e le fasi di missione, durante le quali questi esperimenti erano effettuati, non sono state mai appositamente progettate per lo scopo. Da qui la necessità di progettare un simulatore per studiare varie possibili modalità di esperimenti con radar bistatico in diversi tipi di missione. In una prima fase di approccio al simulatore, il lavoro si è incentrato sullo studio della documentazione in allegato al codice così da avere un’idea generale della sua struttura e funzionamento. È seguita poi una fase di studio dettagliato, determinando lo scopo di ogni linea di codice utilizzata, nonché la verifica in letteratura delle formule e dei modelli utilizzati per la determinazione di diversi parametri. In una seconda fase il lavoro ha previsto l’intervento diretto sul codice con una serie di indagini volte a determinarne la coerenza e l’attendibilità dei risultati. Ogni indagine ha previsto una diminuzione delle ipotesi semplificative imposte al modello utilizzato in modo tale da identificare con maggiore sicurezza la parte del codice responsabile dell’inesattezza degli output del simulatore. I risultati ottenuti hanno permesso la correzione di alcune parti del codice e la determinazione della principale fonte di errore sugli output, circoscrivendo l’oggetto di studio per future indagini mirate.

Polar Codes for error correction: Analysis and Decoding Algorithms

I Polar Codes sono la prima classe di codici a correzione d’errore di cui è stato dimostrato il raggiungimento della capacità per ogni canale simmetrico, discreto e senza memoria, grazie ad un nuovo metodo introdotto recentemente, chiamato ”Channel Polarization”. In questa tesi verranno descritti in dettaglio i principali algoritmi di codifica e decodifica. In particolare verranno confrontate le prestazioni dei simulatori sviluppati per il ”Successive Cancellation Decoder” e per il ”Successive Cancellation List Decoder” rispetto ai risultati riportati in letteratura. Al fine di migliorare la distanza minima e di conseguenza le prestazioni, utilizzeremo uno schema concatenato con il polar code come codice interno ed un CRC come codice esterno. Proporremo inoltre una nuova tecnica per analizzare la channel polarization nel caso di trasmissione su canale AWGN che risulta il modello statistico più appropriato per le comunicazioni satellitari e nelle applicazioni deep space. In aggiunta, investigheremo l’importanza di una accurata approssimazione delle funzioni di polarizzazione.

Modifiche al protocollo di trasporto LTP per migliorarne le prestazioni in presenza di perdite elevate

La presente tesi si pone come obiettivo quello di analizzare il protocollo LTP (in particolare in ION) e proporre dei miglioramenti utili al caso in cui siano presenti perdite elevate. Piu in dettaglio, una prima parte introduttiva motiva l'inefficacia del TCP/IP in ambito interplanetario e introduce l'architettura DTN Bundle Protocol (Cap.1). La tesi prosegue con la descrizione delle specifiche del protocollo LTP (Cap.2), in particolar modo evidenziando come un bundle venga incapsulato in un blocco LTP, come questo sia successivamente diviso in tanti segmenti LTP e come questi vengano successivamente inviati con il protocollo UDP o con un protocollo analogo. Viene quindi presentata un'approfondita analisi delle penalizzazioni dovute alle perdite dei segmenti LTP, sia di tipo dati che di segnalazione (Cap. 3). Quest'analisi permette di dimostrare la criticita degli effetti delle perdite, in particolare per quello che riguarda i segmenti LTP di segnalazione. Mentre in presenza di perdite basse tali effetti hanno in media un impatto minimo sul tempo di consegna di un blocco LTP (quindi del bundle in esso contenuto), in quanto avvengono raramente, in presenza di perdite elevate rappresentano un collo di bottiglia per il tempo di consegna di un blocco LTP. A tal proposito sono state proposte alcune modifiche che permettono di migliorare le prestazioni di LTP (Cap. 4) compatibilmente con le specifiche RFC in modo da garantire l'interoperabilita con le diverse implementazioni del protocollo. Successivamente nel Cap. 5 viene mostrato come sono state implementate le modifiche proposte in ION 3.4.1. Nel capitolo finale (Cap. 6) sono presenti i risultati numerici relativi ad alcuni test preliminari eseguiti confrontando la versione originale del protocollo con le versioni modificate contenenti i miglioramenti proposti. I test sono risultati molto positivi per elevate perdite, confermando cosi la validita dell'analisi e dei miglioramenti introdotti.

Spatio-temporal variation of macrofaunal assemblages in the deep Blanes submarine canyon

The spatio-temporal variations in diversity and abundance of deep-sea macrofaunal assemblages (excluding meiofaunal taxa, as Nematoda, Copepoda and Ostracoda) from the Blanes Canyon (BC) and adjacent open slope are described. The Catalan Sea basin is characterized by the presence of numerous submarine canyons, which are globally acknowledged as biodiversity hot-spots, due to their disturbance regime and incremented conveying of organic matter. This area is subjected to local deep-sea fisheries activities, and to recurrent cold water cascading events from the shelf. The upper canyon (~900 m), middle slope (~1200 m) and lower slope (~1500 m) habitats were investigated during three different months (October 2008, May 2009 and September 2009). A total of 624 specimens belonging to 16 different taxa were found into 67 analyzed samples, which had been collected from the two study areas. Of these, Polychaeta, Mollusca and Crustacea were always the most abundant groups. As expected, the patterns of species diversity and evenness were different in time and space. Both in BC and open slope, taxa diversity and abundance are higher in the shallowest depth and lowest at -1500 m depth. This is probably due to different trophic regimes at these depths. The abundance of filter-feeders is higher inside BC than in the adjacent open slope, which is also related with an increment of predator polychaetes. Surface deposit-feeders are more abundant in the open slope than in BC, along with a decrement of filter-feeders and their predators. Probably these differences are due to higher quantities of suspended organic matter reaching the canyon. The multivariate analyses conducted on major taxa point out major differences effective taxa richness between depths and stations. In September 2009 the analyzed communities double their abundances, with a corresponding increase in richness of taxa. This could be related to a mobilizing event, like the release of accumulated food-supply in a nepheloid layer associated to the arrival of autumn. The highest abundance in BC is detected in the shallowest depth and in late summer (September), probably due to higher food availability caused by stronger flood events coming from Tordera River. The effects of such events seemed to involve adjacent open slope too. The nMDS conducted on major taxa abundance shows a slight temporal difference between the three campaigns samples, with a clear clustering between samples of Sept 09. All depth and all months were dominated by Polychaeta, which have been identified to family level and submitted to further analysis. Family richness have clearly minimum at the -1200 m depth of BC, highlighting the presence of a general impact affecting the populations in the middle slope. Three different matrices have been created, each with a different taxonomic level (All Taxa “AT”, Phylum Level “PL” and Polychaeta Families “PF”). Multivariate analysis (MDS, SIMPER) conducted on PL matrix showed a clear spatial differences between stations (BC and open slope) and depths. MDSs conducted on other two matrices (AT and PF) showed similar patterns, but different from PL analysis. A 2 nd stage analysis have been conducted to understand differences between different taxonomic levels, and PL level has been chosen as the most representative of variation. The faunal differences observed were explained by depth, station and season. All work has been accomplished in the Centre d’estudis avançats de Blanes (CEAB-CSIC), within the framework of Spanish PROMETEO project "Estudio Integrado de Cañones y Taludes PROfundos del MEdiTErráneo Occidental: un hábitat esencial", Ref. CTM2007-66316-C02- 01/MAR.

Ecological distribution of semi-demersal fishes in space and time on the shelf of Antalya Gulf

In this study we provide a baseline data on semidemersal fish assemblages and biology in a heterogeneous and yet less studied portion of the shelf of Antalya Gulf. The distribution of fish abundance in three transects subjected to different fisheries regulations (fishery vs non fishery areas), and including depths of 10, 25, 75, 125, 200 m, was studied between May 2014 and February 2015 in representative months of winter, spring, summer and autumn seasons. A total of 76 fish species belonging to 40 families was collected and semidemersal species distribution was analyzed in comparison with the whole community. Spatial distribution of fish was driven mainly by depth and two main assemblages were observed: shallow waters (10-25; 75 m) and deep waters (125-200 m). Significant differences among transects were found for the whole community but not for the semidemersal species. Analysis showed that this was due to a strong relation of these species with local environmental characteristics rather than to a different fishing pressure over transects. Firstly all species distribute according to the bathymetrical gradient and secondly to the bottom type structure. Semidemersal species were then found more related to zooplankton and suspended matter availability. The main morphological characteristics, sex and size distribution of the target semidemersal species Spicara smaris (Linnaeus, 1758), Saurida undosquamis (Richardson, 1848), Pagellus acarne (Risso, 1827) were also investigated.