Implementazione di ambiente simulativo per validazione di sistemi di navigazione GPS in LEO

Il lavoro di questa tesi è stato implementare su Matlab un algoritmo numerico che permettesse di determinare la posizione di un utilizzatore mediante misure GPS. In particolare, dopo un'introduzione al sistema GPS e alla navigazione GPS, è stato analizzato il contenuto dei LOG di ESEO e si è proceduto all'implementazione dell'algoritmo sul calcolatore. Lo scopo ultimo della tesi è stato verificare l'accuratezza di tale algoritmo, mediante il calcolo degli errori con le posizioni reali e mediante una verifica tramite calcolo del range geometrico.

Effect of multiple sources of disturbance on rocky benthic assemblages in some localities of Salento, Apulia

The first part of my work consisted in samplings conduced in nine different localities of the salento peninsula and Apulia (Italy): Costa Merlata (BR), Punta Penne (BR), Santa Cesarea terme (LE), Santa Caterina (LE), Torre Inserraglio (LE), Torre Guaceto (BR), Porto Cesareo (LE), Otranto (LE), Isole Tremiti (FG). I collected data of species percentage covering from the infralittoral rocky zone, using squares of 50x50 cm. We considered 3 sites for location and 10 replicates for each site, which has been taken randomly. Then I took other data about the same places, collected in some years, and I combined them together, to do a spatial analysis. So I started from a data set of 1896 samples but I decided not to consider time as a factor because I have reason to think that in this period of time anthropogenic stressors and their effects (if present), didn’t change considerably. The response variable I’ve analysed is the covering percentage of an amount of 243 species (subsequently merged into 32 functional groups), including seaweeds, invertebrates, sediment and rock. 2 After the sampling, I have been spent a period of two months at the Hopkins Marine Station of Stanford University, in Monterey (California,USA), at Fiorenza Micheli's laboratory. I've been carried out statistical analysis on my data set, using the software PRIMER 6. My explorative analysis starts with a nMDS in PRIMER 6, considering the original data matrix without, for the moment, the effect of stressors. What comes out is a good separation between localities and it confirms the result of ANOSIM analysis conduced on the original data matrix. What is possible to ensure is that there is not a separation led by a geographic pattern, but there should be something else that leads the differences. Is clear the presence of at least three groups: one composed by Porto cesareo, Torre Guaceto and Isole tremiti (the only marine protected areas considered in this work); another one by Otranto, and the last one by the rest of little, impacted localities. Inside the localities that include MPA(Marine Protected Areas), is also possible to observe a sort of grouping between protected and controlled areas. What comes out from SIMPER analysis is that the most of the species involved in leading differences between populations are not rare species, like: Cystoseira spp., Mytilus sp. and ECR. Moreover I assigned discrete values (0,1,2) of each stressor to all the sites I considered, in relation to the intensity with which the anthropogenic factor affect the localities. 3 Then I tried to estabilish if there were some significant interactions between stressors: by using Spearman rank correlation and Spearman tables of significance, and taking into account 17 grades of freedom, the outcome shows some significant stressors interactions. Then I built a nMDS considering the stressors as response variable. The result was positive: localities are well separeted by stressors. Consequently I related the matrix with 'localities and species' with the 'localities and stressors' one. Stressors combination explains with a good significance level the variability inside my populations. I tried with all the possible data transformations (none, square root, fourth root, log (X+1), P/A), but the fourth root seemed to be the best one, with the highest level of significativity, meaning that also rare species can influence the result. The challenge will be to characterize better which kind of stressors (including also natural ones), act on the ecosystem; and give them a quantitative and more accurate values, trying to understand how they interact (in an additive or non-additive way).

Campi finiti e segnale GPS

Lo scopo della tesi è quello di studiare una delle applicazioni della teoria dei campi finiti: il segnale GPS. A questo scopo si descrivono i registri a scorrimento a retroazione lineare (linear feedback shift register, LFSR), dispositivi utili in applicazioni che richiedono la generazione molto rapida di numeri pseudo-casuali. I ricevitori GPS sfruttano il determinismo di questi dispositivi per identificare il satellite da cui proviene il segnale e per sincronizzarsi con esso. Si inizia con una breve introduzione al funzionamento del GPS, poi si studiano i campi finiti: sottocampi, estensioni di campo, gruppo moltiplicativo e costruzione attraverso la riduzione modulo un polinomio irriducibile, fattorizzazione di polinomi, formula per il numero e metodi per la determinazione di polinomi irriducibili, radici di polinomi irriducibili, coniugati, teoria di Galois (automorfismo ed orbite di Frobenius, gruppo e corrispondenza di Galois), traccia, polinomio caratteristico, formula per il numero e metodi per la determinazione di polinomi primitivi. Successivamente si introducono e si esaminano sequenze ricorrenti lineari, loro periodicità, la sequenza risposta impulsiva, il polinomio caratteristico associato ad una sequenza e la sequenza di periodo massimo. Infine, si studiano i registri a scorrimento che generano uno dei segnali GPS. In particolare si esamina la correlazione tra due sequenze. Si mostra che ogni polinomio di grado n-1 a coefficienti nel campo di Galois di ordine 2 può essere rappresentato univocamente in n bit; la somma tra polinomi può essere eseguita come XOR bit-a-bit; la moltiplicazione per piccoli coefficienti richiede al massimo uno shift ed uno XOR. Si conclude con la dimostrazione di un importante risultato: è possibile inizializzare un registro in modo tale da fargli generare una sequenza di periodo massimo poco correlata con ogni traslazione di se stessa.

Simulazione di front-end GPS per la verifica di algoritmi di navigazione per satelliti LEO

Descrizione di un software di simulazione, realizzato attraverso la programmazione in Labview, che estrapola i dati immagazzinati nei file RINEX di navigazione e di osservazione della missione GRACE e li invia con le stesse modalità con cui lo farebbe il ricevitore OEM615 della NovAtel. L'obiettivo è creare un software che permetta di testare, nell'ambito della missione ESEO dell'ESA, il ricevitore GPS che farà parte del payoload della stessa missione, costituita da un micro-satellite che orbiterà in orbita bassa LEO, e che sarà composto da un ricevitore OEM615, da un'antenna GPS e da un processore di navigazione.

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.

Structural verification of the ESEO spacecraft: from launch loads analysis to composite panels verification

The present thesis work was performed in the frame of ESEO (European Student Earth Orbiter) project. The activities that are described in this document were carried out in the Microsatellites and Space Micro systems Lab led by Professor Paolo Tortora and in ALMASpace company facilities. The thesis deals with ESEO structural analysis, at system and unit level, and verification: after determining the design limit loads to be applied to the spacecraft as an envelope of different launchers load profiles, a finite element structural analysis was performed on the model of the satellite in order to ensure the capability to withstand the loads encountered during the launch; all the analyses were performed according to ESA standards and using the software MSC NASTRAN SIMXPERT. Amplification factors were derived and used to determine loads to be considered at unit level. In particular structural analyses were carried out on the GPS unit, the payload developed for ESEO by students of University of Bologna and results were used in the preparation of GPS payload design definition file. As for the verification phase a study on the panels and inserts to be used in the spacecraft was performed: different designs were created exploiting methods to optimize weight and mechanical behavior. The configurations have been analyzed and results compared to select the final design.

Raffinamento della posizione ottenuta da un GPS tramite misure di fase

Questa tesi elabora un sistema di filtraggio delle pseudodistanze calcolate da un ricevitore GPS, al fine di ottenere un miglior posizionamento. Infatti, dopo aver analizzato e quindi filtrato i dati in ingresso tramite l’impiego delle misure di fase, si può ottenere una precisione nell’ordine dei centimetri. La tecnica di filtraggio prende il nome di carrier-smoothing e permette di selezionare le misure di pseudorange mediante le misure di ADR (Accumulated Delta Range) grazie all’applicazione di una struttura a filtro complementare. Per svolgere questo tipo di lavoro, non è stato necessario l’utilizzo di un ricevitore GPS fisico, ma è stato realizzato, nell’ambiente Matlab/Simulink, un simulatore GNSS (Global Navigation Satellite System) che sostanzialmente emula quello che farebbe un ricevitore.