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.

Calibration of the detector flight models for the HERMES and SPIRIT nanosatellite missions

The High Energy Rapid Modular Ensemble of Satellites (HERMES) is a new mission concept involving the development of a constellation of six CubeSats in low Earth orbit with new miniaturized instruments that host a hybrid Silicon Drift Detector/GAGG:Ce based system for X-ray and γ-ray detection, aiming to monitor high-energy cosmic transients, such as Gamma Ray Bursts and the electromagnetic counterparts of gravitational wave events. The HERMES constellation will also operate together with the Australian-Italian SpIRIT mission, which will house a HERMES-like detector. The HERMES pathfinder mini-constellation, consisting of six satellites plus SpIRIT, is likely to be launched in 2023. The HERMES detectors are based on the heritage of the Italian ReDSoX collaboration, with joint design and production by INFN-Trieste and Fondazione Bruno Kessler, and the involvement of several Italian research institutes and universities. An application-specific, low-noise, low-power integrated circuit (ASIC) called LYRA was conceived and designed for the HERMES readout electronics. My thesis project focuses on the ground calibrations of the first HERMES and SpIRIT flight detectors, with a performance assessment and characterization of the detectors. The first part of this work addresses measurements and experimental tests on laboratory prototypes of the HERMES detectors and their front-end electronics, while the second part is based on the design of the experimental setup for flight detector calibrations and related functional tests for data acquisition, as well as the development of the calibration software. In more detail, the calibration parameters (such as the gain of each detector channel) are determined using measurements with radioactive sources, performed at different operating temperatures between -20°C and +20°C by placing the detector in a suitable climate chamber. The final part of the thesis involves the analysis of the calibration data and a discussion of the results.

Unibo-BP: an innovative free software implementation of Bundle Protocol Version 7 (RFC 9171)

The BP (Bundle Protocol) version 7 has been recently standardized by IETF in RFC 9171, but it is the whole DTN (Delay-/Disruption-Tolerant Networking) architecture, of which BP is the core, that is gaining a renewed interest, thanks to its planned adoption in future space missions. This is obviously positive, but at the same time it seems to make space agencies more interested in deployment than in research, with new BP implementations that may challenge the central role played until now by the historical BP reference implementations, such as ION and DTNME. To make Unibo research on DTN independent of space agency decisions, the development of an internal BP implementation was in order. This is the goal of this thesis, which deals with the design and implementation of Unibo-BP: a novel, research-driven BP implementation, to be released as Free Software. Unibo-BP is fully compliant with RFC 9171, as demonstrated by a series of interoperability tests with ION and DTNME, and presents a few innovations, such as the ability to manage remote DTN nodes by means of the BP itself. Unibo-BP is compatible with pre-existing Unibo implementations of CGR (Contact Graph Routing) and LTP (Licklider Transmission Protocol) thanks to interfaces designed during the thesis. The thesis project also includes an implementation of TCPCLv3 (TCP Convergence Layer version 3, RFC 7242), which can be used as an alternative to LTPCL to connect with proximate nodes, especially in terrestrial networks. Summarizing, Unibo-BP is at the heart of a larger project, Unibo-DTN, which aims to implement the main components of a complete DTN stack (BP, TCPCL, LTP, CGR). Moreover, Unibo-BP is compatible with all DTNsuite applications, thanks to an extension of the Unified API library on which DTNsuite applications are based. The hope is that Unibo-BP and all the ancillary programs developed during this thesis will contribute to the growth of DTN popularity in academia and among space agencies.

Analysis of aircraft load spectrum by means of flight simulator

Damage tolerance analysis is a quite new methodology based on prescribed inspections. The load spectra used to derive results of these analysis strongly influence the final defined inspections programs that for this reason must be as much as possible representative of load acting on the considered structural component and at the same time, obtained reducing both cost and time. The principal purpose of our work is in improving the actual condition developing a complete numerical Damage Tolerance analysis, able to prescribe inspection programs on typical aircraft critical components, respecting DT regulations, starting from much more specific load spectrum then those actually used today. In particular, these more specific load spectrum to design against fatigue have been obtained through an appositively derived flight simulator developed in a Matlab/Simulink environment. This dynamic model has been designed so that it can be used to simulate typical missions performing manually (joystick inputs) or completely automatic (reference trajectory need to be provided) flights. Once these flights have been simulated, model’s outputs are used to generate load spectrum that are then processed to get information (peaks, valleys) to perform statistical and/or comparison consideration with other load spectrum. However, also much more useful information (loads amplitude) have been extracted from these generated load spectrum to perform the previously mentioned predictions (Rainflow counting method is applied for this purpose). The entire developed methodology works in a complete automatic way, so that, once some specified input parameters have been introduced and different typical flights have been simulated both, manually or automatically, it is able to relate the effects of these simulated flights with the reduction of residual strength of the considered component.

Night Vision Imaging System (NVIS) certification requirements analysis of an Airbus Helicopters H135

The safe operation of nighttime flight missions would be enhanced using Night Vision Imaging Systems (NVIS) equipment. This has been clear to the military since 1970s and to the civil helicopters since 1990s. In these last months, even Italian Emergency Medical Service (EMS) operators require Night Vision Goggles (NVG) devices that therefore amplify the ambient light. In order to fly with this technology, helicopters have to be NVIS-approved. The author have supported a company, to quantify the potentiality of undertaking the certification activity, through a feasibility study. Even before, NVG description and working principles have been done, then specifications analysis about the processes to make a helicopter NVIS-approved has been addressed. The noteworthy difference between military specifications and the civilian ones highlights non-irrevelant lacks in the latter. The activity of NVIS certification could be a good investment because the following targets have been achieved: Reductions of the certification cost, of the operating time and of the number of non-compliance.

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.