Non invasive moisture measurement in agricultural fiel using a rolling spherical robot

Irrigation management in large crop fields is a very important practice. Since the farm management costs and the crop results are directly connected with the environmental moisture, water control optimization is a critical factor for agricultural practices, as well as for the planet sustainability. Usually, the crop humidity is measured through the water stress index (WSI), using imagery acquired from satellites or airplanes. Nevertheless, these tools have a significant cost, lack from availability, and dependability from the weather. Other alternative is to recover to ground tools, such as ground vehicles and even static base stations. However, they have an outstanding impact in the farming process, since they can damage the cultivation and require more human effort. As a possible solution to these issues, a rolling ground robot have been designed and developed, enabling non-invasive measurements within crop fields. This paper addresses the spherical robot system applied to intra-crop moisture measurements. Furthermore, some experiments were carried out in an early stage corn field in order to build a geo-referenced WSI map.

Dynamic stabilization of L2 periodic orbits using attitude-orbit coupling effects

Numerical explorations show how the known periodic solutions of the Hill problem are modified in the case of the attitude-orbit coupling that may occur for large satellite structures. We focus on the case in which the elongation is the dominant satellite’s characteristic and find that a rotating structure may remain with its largest dimension in a plane parallel to the plane of the primaries. In this case, the effect produced by the non-negligible physical length is dynamically equivalent to the perturbation produced by an oblate central body on a mass-point satellite. Based on this, it is demonstrated that the attitude-orbital coupling of a long enough body may change the dynamical characteristics of a periodic orbit about the collinear Lagrangian points.

Estrategias visuales y motrices de los porteros expertos de fútbol sala en tareas de intercepción bajo presión temporal y espacial

En los últimos años, la investigación se ha preocupado crecientemente sobre la anticipación visual de los deportistas en deportes de intercepción (e.g.,Van der Kamp, Rivas, Van Doorn y Savelsbergh, 2008). Estos trabajos han mostrado de forma consistente que el rendimiento de los deportistas está regulado por tres factores que interactúan. El primero, la estructura y la dinámica de la tarea estipulan los márgenes espaciales y temporales en los que actuar (e.g., Vilar, Araújo, Davids, Correia y Esteves, 2012). También, cómo los deportistas extraen y utilizan la información disponible del entorno sobre la que guiar su conducta (e.g., Savelsbergh, Williams, Van der Kamp y Ward, 2002). Y el tercero se refiere a su anticipación y tiempos de movimiento (e.g., Dicks, Davids y Button, 2010b). El objetivo del estudio fue evaluar la evolución de las estrategias visuales y motrices cuando se manipulan las demandas espacio-temporales así como la fiabilidad de la información. Para ello, se examinaron doce porteros expertos de fútbol sala in situ mientras recibían tiros de penalti en cuatro condiciones que diferían en cuanto a distancia de disparo (penaltis desde 6 m vs. dobles penaltis desde 10m) y a la estrategia de engaño del oponente (tiros normales vs. tiros conengaño). Se grabó el rendimiento y sus tiempos de movimiento utilizando una cámara de alta velocidad (120fps) y se registró su mirada mientras intentaban interceptar los disparos empleando el sistema portátil de seguimiento de la mirada ASL MobileEye. Se analizaron las medidas derivadas de los análisis de los vídeos a través de una prueba de ANOVA (Friedman o Medidas Repetidas) y se hizo un análisis discriminante para extraer las variables del rendimiento: gol vs. parada. Los porteros pararon más tiros (61% vs. 23%), obtuvieron valores de rendimiento más altos ( 4.1 vs. 2.1 sobre 5), y acertaron el lado más frecuentemente (97% vs. 53%) en los tiros de dobles penaltis comparado con los tiros de penalti. El engaño tuvo un efecto nulo en el rendimiento de los porteros, excepto para el número de correcciones entre dobles penaltis, donde corrigieron su movimiento inicial de parada hacia el otro lado en un 23% de los tiros con engaño por un 12% en los tiros normales. Los participantes iniciaron su acción de parada antes en los penaltis comparado con los dobles penalti, no encontrándose ningún efecto de la estrategia de engaño en los tiempos de movimiento. Esas diferencias entre distancias fueron notables en las medidas del tronco y de los pies (339 y 330 ms respectivamente), los cuales pasaron de valores negativos(movimiento antes del golpeo) en los penaltis, a valores positivos (movimiento después del golpeo) en los dobles penaltis. Sin embargo, los tiempos de los brazos se mantuvieron cercanos a los 200 ms en ambos tiros de penaltis y de dobles penaltis (23 ms de diferencia media). El análisis de los patrones visuales reveló una remarcable variabilidad, tanto entre participantes como intra participantes, aunque emergió un patrón general. Los porteros tendieron a mirar hacia el cuerpo del tirador (sobre todo la cabeza) durante el comienzo de la carrera de aproximación y después, según avanzaba el jugador hacia el balón apartaban su mirada del jugador y la dirigían hacia el balón (o zona entre el balón y la pierna de apoyo). Los porteros miraron durante más tiempo al cuerpo y cambiaron de foco hacia el balón más tarde en los tiros de penalti con respecto a los tiros de doble penal ti. Así pues, este cambio de foco visual corporal hacia el balón pareció estar relacionado con los determinantes espacio-temporales (i.e., 6 vs. 10 m] más que con las estrategias de engaño del tirador o con el tiempo de inicio de los participantes. Tanto los tiros de penalti (6 m] como los de doble penalti (10 m) fueron menos veloces en los tiros con engaño en comparación con los tiros normales .. El análisis discriminante encontró que la distancia horizontal al centro (balón situado más cerca del portero) fue crucial para parar el doble penalti, siendo menos importante para el caso de los penaltis; viceversa sucedió con el tiempo de visión en los primeros momentos de vuelo del balón, resultando más predictivo de la parada en el caso de los penaltis que el de los dobles penaltis. Los resultados sugieren el uso de diferentes estrategias viso-motoras en función de la distancia de disparo. En los tiros de doble penalti (desde 10 m], los participantes esperaron a ver la información del balón (obteniendo información del golpeo y del vuelo) para coordinar sus acciones en función de esa información más fiable (Diaz, Fajen y Phillips, 2012). Así, comenzaron su acción de parada sobre los 200 ms después del golpeo, lo que les permitió moverse de forma constante hacia el mismo lado del balón, pero les dejó sin tiempo suficiente para alcanzar el balón en los casos en los que éste fue relativamente ajustado al palo. Por el contrario, en los tiros de penalti [desde 6 m], los porteros generalmente empezaron a moverse antes del golpeo, para aumentar su margen temporal de acción y así aumentar sus opciones de llegar a los balones escorados(en caso de haber acertado el lado). Esto les obligó a basar sus acciones en información temprana menos predictiva [más tiempo de visión en el cuerpo y cambio de foco más tardío) lo que les provocó un detrimento en el rendimiento. Por ejemplo, en los tiros de penalti los porteros acertaron el lado en sólo en la mitad de los casos. Así, en los penaltis los porteros se movieron hacia nno de los lados (i.e., derecha o izquierda) independientemente de la dirección final de tiro, mientras que en los dobles se encontró una relación de dependencia entre la trayectoria de los tiros y la dirección de la acción de parada (Kuhn, 1988). Por otra parte, los tiempos de inicio del movimiento del tronco y de los pies en los dobles fueron relativamente similares, mientras que en los tiros de penalti la diferencia entre participantes aumentó. Esto podría indicar que la variabilidad en el tiempo de inicio de la parada entre participantes podría verse influenciada por las demandas espacio-temporales. Por último, las intenciones de engaño de los tiradores afectaron su capacidad de tiro (más despacio) pero no provocaron ningún efecto observable en el rendimiento, tiempo de movimiento o patrones visuales de los porteros. La presentación aleatoria de los tiros en cuanto a estrategia podría haber impedido que los porteros establecieran relaciones entre las variables ópticas tempranas (i.e., información del cuerpo del tirador) y la dirección final de tiro (pero ver Dicks, Button y Davids, 2010a).

Bare-tether cathodic contact through thermoionic emission by low work-function materials

A new material, C12A7 : electride, which might present a work function as low as 0.6 eV and moderately high temperature stability, was recently proposed as coating for floating bare tethers. Arising from heating under space operation, current is emitted by thermionic emission along a thus coated cathodic segment. A preliminary study on the space-charge-limited (SCL) double layer in front of the cathodic segment is presented using Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes and orbital-motion-limited ion-collection sheath. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects and the transition from SCL to full Richardson-Dushman emission included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission leads to a short cathodic section and may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas feed requirements and power subsystem, which results in a truly “propellant-less” tether system for such basic applications as de-orbiting low earth orbit satellites.

Diseño, implementación y verificación de una antena de microondas

A lo largo de este proyecto se han tratado las diferentes fases que tienen lugar durante el desarrollo del programa de Diseño y Verificación de una Bocina en Banda C destinada a un satélite comercial de comunicaciones. En un primer lugar, se introduce el proyecto en el mundo real realizando una pequeña aproximación a los satélites artificiales y su historia. Después, en una primera fase, se describen los diversos puntos de la etapa de diseño y los resultados de la simulación de nuestra Antena. Se estudian por separado los diferentes elementos que componen el equipo, y además, se realiza un análisis de los parámetros eléctricos que se deben tener en cuenta durante el diseño para adaptar el comportamiento de la Antena a los requisitos solicitados por el cliente. Antes de realizar la verificación de la Antena, se procede a la definición de los ensayos, que se debe realizar sobre el equipo con el fin de simular las condiciones a las que se verá sometido. Pruebas y medidas, niveles de test, etc. que nos ayudan a demostrar que nuestra Antena está preparada para realizar su misión en el espacio. Se hará una descripción sobre la forma de realizar de los ensayos y de las instalaciones donde se van a llevar a cabo, además del orden que llevaremos durante la campaña. Una vez determinados los test y con la Antena fabricada y lista, se procede a la Verificación de nuestro equipo mediante la Campaña de Ensayos con el objetivo de caracterizar por completo el funcionamiento de nuestra Antena en cualquier circunstancia. Se muestran los resultados obtenidos en los test siguiendo el orden establecido por el Test Plan. Medidas en Laboratorio y Radiación, los test de vibración y las pruebas ambientales en las Cámaras Térmicas de Vacío, y medidas eléctricas en condiciones extremas de temperatura y presión. Y una vez realizada la Campaña, se vuelve a medir la Antena para comprobar el funcionamiento tras soportar todos los ensayos. Se analizan los resultados obtenidos en cada una de las pruebas y se comparan con las simulaciones obtenidas durante la fase de diseño. Finalmente, se realiza un pequeño resumen de los valores más importantes obtenidos durante la Verificación y exponen las Conclusiones que se desprende de dicho proceso. Como último punto del proyecto, se estudian las correcciones y mejoras que se podrán llevar a cabo en futuros programas gracias a lo que hemos aprendido en este proyecto. Abstract This project presents a C Band Horn Antenna for a commercial communications satellite. All the different phases from Design to Verification are presented. First of all, an introduction to artificial satellites and their history is presented to put this project into perspective. Next, the electrical design of the Antenna is presented. Taking into account the theoretical fundamentals, each element that comprises this Antenna was designed. Their electrical performances, obtained from analysis using commercial software, are presented in the simulation results. In the design of each element of the antenna, some critical parameters are set and optimized in order to be compliant with the global requirements requested by the customer. After the design is completed, it is necessary to define the Test Campaign that has to be carried out in order to verify the validity of the designed and manufactured Antenna. Therefore, a Test Plan and the Electrical and Environmental Test Procedures are defined. This Test Campaign must be representative of the same conditions of the real space mission. Considering this, the following are defined: parameters for the network analyzer and radiation patterns measurements; test levels for the environmental test; definition of the RF measurements to be carried out and the temperatures to be applied in the thermal vacuum cycling. If the Antenna surpasses these tests, it will be ready to perform its mission in space over the entire satellite’s life cycle. The facilities where the tests are performed, as well as the sequence of the tests along the campaign are described too. After that, the Test Campaign is performed to fully characterize the Antenna in the space simulated conditions. Following the order established in the Test Plan, a radiation pattern and laboratory parameters are measured to correlate its electrical response with the simulations. Then, vibration and thermal vacuum tests are performed to verify its behavior in extreme environmental conditions. Last, if the final electrical results are the same as the initial ones, it can be stated that the antenna has successfully passed the Test Campaign. And finally, conclusions obtained from the data simulation design and Test Campaign results are presented. Status of Compliance with the specification is shown to demonstrate that the Antenna fulfills the requested requirements. Although the purpose of this project is to design and verify the response of C Band Horn Antenna, it is important to highlight improvements for future developments and the lessons learnt during this project.

Comparación de la precisión de los Modelos Geopotenciales EGM96 y EGM08 en la zona del Caribe.

Recientemente fue publicado un nuevo modelo geopotencial global, el EGM08. Este modelo ha mostrado una notable mejoría en la calidad de sus tres fuentes de datos; las observaciones del movimiento perturbado de los satélites artificiales,la altimetría por satélite y la gravimetría terrestre, por lo que se ha conseguido mejorar su precisión. En Puerto Rico, nuestra área de estudio, encontramos que al comprar las diferencias de los incrementos de la ondulación del geoide geométrico (calculado con medidas de campo) con los valores de los incrementos de la ondulación del geoide obtenidos utilizando estos modelos geopotenciales globales, la precisión del EGM08 fue ± 0,029 metros mientras que la precisión del EGM96 fue ± 0,055 metros. Estos resultados demuestran que en nuestra región, el modelo EGM08 ha presentado una mejoría considerable sobre su predecesor el EGM96 al momento de determinar los valores de los incrementos de la ondulación del geoide. Abstract: Recently, the new global geopotential model, the EGM08 was published. This model has shown a marked improvement in the quality of its three sources of data; the observations of the disturbed motion of artificial satellites, satellite altimetry and terrestrial gravity, so it has improved its precision. In our study area, Puerto Rico, we found that when we compare the differences of the increments of the geometric geoid undulation (computed with field data) with the values of the increments of the geoid undulation obtained using these models, the EGM08 accuracy was ± 0,029 meters, while the EGM96 accuracy was ± 0,055 meters. These results confirm that in our region, the EGM08 model has presented a significant improvement over its predecessor the EGM96 when determining the values of the increments of the geoid undulation.

Frozen orbits for scientific missions using rotating tethers

We derive a semi-analytic formulation that permits to study the long-term dynamics of fast-rotating inert tethers around planetary satellites. Since space tethers are extensive bodies they generate non-keplerian gravitational forces which depend solely on their mass geometry and attitude, that can be exploited for controlling science orbits. We conclude that rotating tethers modify the geometry of frozen orbits, allowing for lower eccentricity frozen orbits for a wide range of orbital inclination, where the length of the tether becomes a new parameter that the mission analyst may use to shape frozen orbits to tighter operational constraints.

Criteria for mathematical model selection for satellite vibro-acoustic analysis depending on frequency range

Satellites and space equipment are exposed to diffuse acoustic fields during the launch process. The use of adequate techniques to model the response to the acoustic loads is a fundamental task during the design and verification phases. Considering the modal density of each element is necessary to identify the correct methodology. In this report selection criteria are presented in order to choose the correct modelling technique depending on the frequency ranges. A model satellite’s response to acoustic loads is presented, determining the modal densities of each component in different frequency ranges. The paper proposes to select the mathematical method in each modal density range and the differences in the response estimation due to the different used techniques. In addition, the methodologies to analyse the intermediate range of the system are discussed. The results are compared with experimental testing data obtained in an experimental modal test.

Five-year results of a slant-path propagation experiment at 20 GHz in Madrid

Satellite operators are starting to use the Ka-band (30/20 GHz) for communications systems requiring higher traffic capacity. The use of this band is expected to experience a significant growth in the next few years, as several operators have reported plans to launch new satellites with Ka-band capacity. It is worth mentioning the Ka-Sat satellite in Europe, launched in 2010, and ViaSat-1, of 2011, with coverage of USA1. Some other examples can be found in other parts of the World. Recent satellite communications standards, such as DVB-S22 or DVB-RCS3, which provide means to mitigate propagation impairments, have been developed with the objective of improving the use of the Ka-band, in comparison with previous technical standards. In the next years, the ALPHASAT satellite will bring about new opportunities4 for carrying out propagation and telecommunication experiments in the Ka- and Q/V-bands. Commercial uses are focused on the provision of high speed data communications, for Internet access and other applications. In the near future, it is expected that higher and higher data rates will also be needed to broadcast richer multimedia contents, including HD-TV, interactive content or 3D-TV. All of these services may be provided in the future by satellites of the current generation, whose life span can extend up to 2025 in some cases. Depending on local regulations, the available bandwidth for the satellite fixed and broadcasting services in the Ka-band is in excess of several hundred MHz, bidirectional, comprising more than 1 GHz for each sub-band in some cases. In this paper, the results of a propagation experiment that is being carried out at Universidad Politécnica de Madrid (UPM), Spain, are presented5. The objective of the experiment is twofold: gathering experimental time series of attenuation and analyzing them in order to characterize the propagation channel at these frequencies6. The experiment and statistical results correspond to five complete years of measurements. The experiment is described in more detail in Section II. Yearly characteristics of rain attenuation are presented in Section III, whereas Section IV is dedicated to the monthly, seasonal, and hourly characteristics. Section V covers the dynamic characteristics of this propagation effect, just before the conclusions are described in Section VI.

Electrodynamic Tethers For Planetary And De-orbiting Missions

Nuevas aplicaciones tecnológicas y científicas mediante amarras electrodinámicas son analizadas para misiones planetarias. i) Primero, se considera un conjunto de amarras cilíndricas en paralelo (veleros electrosolares) para una misión interplanetaria. Los iones provenientes del viento solar son repelidos por el alto potencial de dichas amarras generando empuje sobre el velero. Para conocer el intercambio de momento que provocan los iones sobre las amarras se ha considerado un modelo de potencial estacionario. Se ha analizado la transferencia orbital de la Tierra a Júpiter siguiendo un método de optimización de trayectoria indirecto. ii) Una vez que el velero se encuentra cerca de Júpiter, se ha considerado el despliegue de una amarra para diferentes objetivos científicos. iia) Una amarra podría ser utilizada para diagnóstico de plasmas, al ser una fuente efectiva de ondas, y también como un generador de auroras artificiales. Una amarra conductora que orbite en la magnetosfera jovial es capaz de producir ondas. Se han analizado las diferentes ondas radiadas por un conductor por el que circula una corriente constante que sigue una órbita polar de alta excentricidad y bajo apoápside, como ocurre en la misión Juno de la NASA. iib) Además, se ha estudiado una misión tentativa que sigue una órbita ecuatorial (LJO) por debajo de los intensos cinturones de radiación. Ambas misiones requiren potencia eléctrica para los sistemas de comunicación e instrumentos científicos. Las amarras pueden generar potencia de manera más eficiente que otros sistemas que utlizan paneles solares o sistemas de potencia de radioisótopos (RPS). La impedancia de radiación es necesaria para determinar la corriente que circula por todo el circuito de la amarra. En un modelo de plasma frío, la radiación ocurre principalmente en los modos de Alfven y magnetosónica rápida, mostrando un elevado índice de refracción. Se ha estudiado la impedancia de radiación en amarras con recubrimiento aislante para los dos modos de radiación y cada una de las misiones. A diferencia del caso ionosférico terrestre, la baja densidad y el intenso campo magnético que aparecen en el entorno de Júpiter consiguen que la girofrecuencia de los electrones sea mucho mayor que la frecuencia del plasma; esto hace que el espectro de potencia para cada modo se modifique substancialmente, aumentando la velocidad de Alfven. Se ha estimado también la impedancia de radiación para amarras sin aislante conductor. En la misión LJO, un vehículo espacial bajando lentamente la altitud de su órbita permitiría estudiar la estructura del campo magnético y composición atmosférica para entender la formación, evolución, y estructura de Júpiter. Adicionalmente, si el contactor (cátodo) se apaga, se dice que la amarra flota eléctricamente, permitiendo emisión de haz de electrones que generan auroras. El continuo apagado y encendido produce pulsos de corriente dando lugar a emisiones de señales, que pueden ser utilizadas para diagnóstico del plasma jovial. En Órbita Baja Jovial, los iones que impactan contra una amarra polarizada negativamente producen electrones secundarios, que, viajando helicoidalmente sobre las líneas de campo magnético de Júpiter, son capaces de alcanzar su atmósfera más alta, y, de esta manera, generar auroras. Se han identificado cuáles son las regiones donde la amarra sería más eficiente para producir auroras. iic) Otra aplicación científica sugerida para la misión LJO es la detección de granos cargados que orbitan cerca de Júpiter. Los electrones de alta energía en este ambiente pueden ser modelados por una distribucción no Maxwelliana conocida como distribución kappa. En escenarios con plasmas complejos, donde los campos eléctricos en Júpiter pueden acelerar las cargas hasta velocidades que superen la velocidad térmica, este tipo de distribuciones son muy útiles. En este caso las colas de las distribuciones de electrones siguen una ley de potencias. Se han estudiado las fluctuaciones de granos cargados para funciones de distribución kappa. iii) La tesis concluye con el análisis para deorbitar satélites con amarras electrodinámicas que siguen una Órbita Baja Terrestre (LEO). Una amarra debe presentar una baja probabilidad de corte por pequeño debris y además debe ser suficientemente ligero para que el cociente entre la masa de la amarra y el satélite sea muy pequeño. En este trabajo se estiman las medidas de la longitud, anchura y espesor que debe tener una amarra para minimizar el producto de la probabilidad de corte por el cociente entre las masas de la amarra y el satélite. Se presentan resultados preliminares del diseño de una amarra con forma de cinta para deorbitar satélites relativamente ligeros como Cryosat y pesados como Envisat. Las misiones espaciales a planetas exteriores y en el ámbito terrestre plantean importantes retos científico-tecnológicos que deben ser abordados y solucionados. Por ello, desde el inicio de la era espacial se han diseñando novedosos métodos propulsivos, sistemas de guiado, navegación y control más robustos, y nuevos materiales para mejorar el rendimiento de los vehículos espaciales (SC). En un gran número de misiones interplanetarias y en todas las misiones a planetas exteriores se han empleado sistemas de radioisótopos (RPS) para generar potencia eléctrica en los vehículos espaciales y en los rovers de exploración. Estos sistemas emplean como fuente de energía el escaso y costoso plutonio-238. La NASA, por medio de un informe de la National Academy of Science (5 de Mayo del 2009), expresó una profunda preocupación por la baja cantidad de plutonio almacenado, insuficiente para desarrollar todas las misiones de exploración planetaria planeadas en el futuro [81, 91]. Esta circustancia ha llevado a dicha Agencia tomar la decisión de limitar el uso de estos sistemas RPS en algunas misiones de especial interés científico y una recomendación de alta prioridad para que el Congreso de los EEUU apruebe el reestablecimiento de la producción de plutonio-238, -son necesarios cerca de 5 kg de este material radiactivo al año-, para salvaguardar las misiones que requieran dichos sistemas de potencia a partir del año 2018. Por otro lado, la Agencia estadounidense ha estado considerando el uso de fuentes de energía alternativa; como la fisión nuclear a través del ambicioso proyecto Prometheus, para llevar a cabo una misión de exploración en el sistema jovial (JIMO). Finalmente, dicha misión fue desestimada por su elevado coste. Recientemente se han estado desarrollando sistemas que consigan energía a través de los recursos naturales que nos aporta el Sol, mediante paneles solares -poco eficientes para misiones a planetas alejados de la luz solar-. En este contexto, la misión JUNO del programa Nuevas Fronteras de la NASA, cuyo lanzamiento fue realizado con éxito en Agosto de 2011, va a ser la primera misión equipada con paneles solares que sobrevolará Júpiter en el 2015 siguiendo una órbita polar. Anteriormente se habían empleado los antes mencionados RPS para las misiones Pioneer 10,11, Voyager 1,2, Ulysses, Cassini-Huygens y Galileo (todas sobrevuelos excepto Galileo). Dicha misión seguirá una órbita elíptica de alta excentricidad con un periápside muy cercano a Júpiter, y apoápside lejano, evitando que los intensos cinturones de radiación puedan dañar los instrumentos de navegación y científicos. Un tether o amarra electrodinámica es capaz de operar como sistema propulsivo o generador de potencia, pero también puede ser considerado como solución científicotecnológica en misiones espaciales tanto en LEO (Órbita Baja Terrestre) como en planetas exteriores. Siguiendo una perspectiva histórica, durante las misiones terrestres TSS-1 (1992) y TSS-1R (1996) se emplearon amarras estandard con recubrimiento aislante en toda su longitud, aplicando como terminal anódico pasivo un colector esférico para captar electrones. En una geometría alternativa, propuesta por J. R. Sanmartín et al. (1993) [93], se consideró dejar la amarra sin recubrimiento aislante (“bare tether”), y sin colector anódico esférico, de forma que recogiera electrones a lo largo del segmento que resulta polarizado positivo, como si se tratara de una sonda de Langmuir de gran longitud. A diferencia de la amarra estandard, el “bare tether” es capaz de recoger electrones a lo largo de una superficie grande ya que este segmento es de varios kilómetros de longitud. Como el radio de la amarra es del orden de la longitud de Debye y pequeño comparado con el radio de Larmor de los electrones, permite una recolección eficiente de electrones en el régimen OML (Orbital Motion Limited) de sondas de Langmuir. La corriente dada por la teoría OML varía en función del perímetro y la longitud. En el caso de una cinta delgada, el perímetro depende de la anchura, que debe ser suficientemente grande para evitar cortes producidos por debris y micrometeoritos, y suficientemente pequeño para que la amarra funcione en dicho régimen [95]. En el experimento espacial TSS-1R mencionado anteriormente, se identificó una recolección de corriente más elevada que la que predecía el modelo teórico de Parker- Murphy, debido posiblemente a que se utilizaba un colector esférico de radio bastante mayor que la longitud de Debye [79]. En el caso de una amarra “bare”, que recoge electrones a lo largo de gran parte de su longitud, se puede producir un fenómeno conocido como atrapamiento adiabático de electrones (adiabatic electron trapping) [25, 40, 60, 73, 74, 97]. En el caso terrestre (LEO) se da la condición mesotérmica en la que la amarra se mueve con una velocidad muy superior a la velocidad térmica de los iones del ambiente y muy inferior a la velocidad térmica de los electrones. J. Laframboise y L. Parker [57] mostraron que, para una función de distribución quasi-isotrópica, la densidad de electrones debe entonces ser necesariamente inferior a la densidad ambiente. Por otra parte, debido a su flujo hipersónico y a la alta polarización positiva de la amarra, la densidad de los iones es mayor que la densidad ambiente en una vasta región de la parte “ram” del flujo, violando la condición de cuasi-neutralidad,-en una región de dimensión mayor que la longitud de Debye-. La solución a esta paradoja podría basarse en el atrapamiento adiabático de electrones ambiente en órbitas acotadas entorno al tether. ABSTRACT New technological and scientific applications by electrodynamic tethers for planetary missions are analyzed: i) A set of cylindrical, parallel tethers (electric solar sail or e-sail) is considered for an interplanetary mission; ions from the solar wind are repelled by the high potential of the tether, providing momentum to the e-sail. An approximated model of a stationary potential for a high solar wind flow is considered. With the force provided by a negative biased tether, an indirect method for the optimization trajectory of an Earth-to-Jupiter orbit transfer is analyzed. ii) The deployment of a tether from the e-sail allows several scientific applications in Jupiter. iia) It might be used as a source of radiative waves for plasma diagnostics and artificial aurora generator. A conductive tether orbiting in the Jovian magnetosphere produces waves. Wave radiation by a conductor carrying a steady current in both a polar, highly eccentric, low perijove orbit, as in NASA’s Juno mission, and an equatorial low Jovian orbit (LJO) mission below the intense radiation belts, is considered. Both missions will need electric power generation for scientific instruments and communication systems. Tethers generate power more efficiently than solar panels or radioisotope power systems (RPS). The radiation impedance is required to determine the current in the overall tether circuit. In a cold plasma model, radiation occurs mainly in the Alfven and fast magnetosonic modes, exhibiting a large refraction index. The radiation impedance of insulated tethers is determined for both modes and either mission. Unlike the Earth ionospheric case, the low-density, highly magnetized Jovian plasma makes the electron gyrofrequency much larger than the plasma frequency; this substantially modifies the power spectrum for either mode by increasing the Alfven velocity. An estimation of the radiation impedance of bare tethers is also considered. iib) In LJO, a spacecraft orbiting in a slow downward spiral under the radiation belts would allow determining magnetic field structure and atmospheric composition for understanding the formation, evolution, and structure of Jupiter. Additionally, if the cathodic contactor is switched off, a tether floats electrically, allowing e-beam emission that generate auroras. On/off switching produces bias/current pulses and signal emission, which might be used for Jovian plasma diagnostics. In LJO, the ions impacting against the negative-biased tether do produce secondary electrons, which racing down Jupiter’s magnetic field lines, reach the upper atmosphere. The energetic electrons there generate auroral effects. Regions where the tether efficiently should produce secondary electrons are analyzed. iic) Other scientific application suggested in LJO is the in-situ detection of charged grains. Charged grains naturally orbit near Jupiter. High-energy electrons in the Jovian ambient may be modeled by the kappa distribution function. In complex plasma scenarios, where the Jovian high electric field may accelerate charges up superthermal velocities, the use of non-Maxwellian distributions should be considered. In these cases, the distribution tails fit well to a power-law dependence for electrons. Fluctuations of the charged grains for non-Mawellian distribution function are here studied. iii) The present thesis is concluded with the analysis for de-orbiting satellites at end of mission by electrodynamic tethers. A de-orbit tether system must present very small tether-to-satellite mass ratio and small probability of a tether cut by small debris too. The present work shows how to select tape dimensions so as to minimize the product of those two magnitudes. Preliminary results of tape-tether design are here discussed to minimize that function. Results for de-orbiting Cryosat and Envisat are also presented.

A proposed bare tether experiment on board a sounding rocket

A sounding rocket experiment is proposed to carry out two experiments by the conductive bare-tether; 1) the test of the OML (Orbital-Motion-Limited) theory to collect electron, and II) the test of techniques to determine (neutral) density profile in critical E-layer. The main driver of the mission is provide a space tether technology experiment in low-Earth-Orbit (LEO) deploying a long tape tether in space and verify the performance of the bare electrodynamic tape tether. The sounding rocket experiment will show no danger to other satellites as the tether missions YES1, SEDSAT, and ProCEDS, which is cancelled just for afraid of collision with the ISS orbit. Also, the sounding rocket mission is possible to demonstrate the bare tether technology in low cost, simple mission concept, fast realization for space structures. The present sounding rocket experiment is expected to be the first conductive bare tether experiment.

Remote sensing of LAI, chlorophyll and leaf nitrogen pools of crop- and grasslands in five European landscapes.

Leaf nitrogen and leaf surface area influence the exchange of gases between terrestrial ecosystems and the atmosphere, and play a significant role in the global cycles of carbon, nitrogen and water. The purpose of this study is to use field-based and satellite remote-sensing-based methods to assess leaf nitrogen pools in five diverse European agricultural landscapes located in Denmark, Scotland (United Kingdom), Poland, the Netherlands and Italy. REGFLEC (REGularized canopy reFLECtance) is an advanced image-based inverse canopy radiative transfer modelling system which has shown proficiency for regional mapping of leaf area index (LAI) and leaf chlorophyll (CHLl) using remote sensing data. In this study, high spatial resolution (10–20 m) remote sensing images acquired from the multispectral sensors aboard the SPOT (Satellite For Observation of Earth) satellites were used to assess the capability of REGFLEC for mapping spatial variations in LAI, CHLland the relation to leaf nitrogen (Nl) data in five diverse European agricultural landscapes. REGFLEC is based on physical laws and includes an automatic model parameterization scheme which makes the tool independent of field data for model calibration. In this study, REGFLEC performance was evaluated using LAI measurements and non-destructive measurements (using a SPAD meter) of leaf-scale CHLl and Nl concentrations in 93 fields representing crop- and grasslands of the five landscapes. Furthermore, empirical relationships between field measurements (LAI, CHLl and Nl and five spectral vegetation indices (the Normalized Difference Vegetation Index, the Simple Ratio, the Enhanced Vegetation Index-2, the Green Normalized Difference Vegetation Index, and the green chlorophyll index) were used to assess field data coherence and to serve as a comparison basis for assessing REGFLEC model performance. The field measurements showed strong vertical CHLl gradient profiles in 26% of fields which affected REGFLEC performance as well as the relationships between spectral vegetation indices (SVIs) and field measurements. When the range of surface types increased, the REGFLEC results were in better agreement with field data than the empirical SVI regression models. Selecting only homogeneous canopies with uniform CHLl distributions as reference data for evaluation, REGFLEC was able to explain 69% of LAI observations (rmse = 0.76), 46% of measured canopy chlorophyll contents (rmse = 719 mg m−2) and 51% of measured canopy nitrogen contents (rmse = 2.7 g m−2). Better results were obtained for individual landscapes, except for Italy, where REGFLEC performed poorly due to a lack of dense vegetation canopies at the time of satellite recording. Presence of vegetation is needed to parameterize the REGFLEC model. Combining REGFLEC- and SVI-based model results to minimize errors for a "snap-shot" assessment of total leaf nitrogen pools in the five landscapes, results varied from 0.6 to 4.0 t km−2. Differences in leaf nitrogen pools between landscapes are attributed to seasonal variations, extents of agricultural area, species variations, and spatial variations in nutrient availability. In order to facilitate a substantial assessment of variations in Nl pools and their relation to landscape based nitrogen and carbon cycling processes, time series of satellite data are needed. The upcoming Sentinel-2 satellite mission will provide new multiple narrowband data opportunities at high spatio-temporal resolution which are expected to further improve remote sensing capabilities for mapping LAI, CHLl and Nl.

BETs: Propellant less de orbiting of space debris by bare electrodynamic tethers

As a fundamental contribution to limiting the increase of debris in the Space environment, a three-year project started on 1 November 2010 financed by the European Commission under the FP-7 Space Programme. It aims at developing a universal system to be carried on board future satellites launched into low Earth orbit (LEO), to allow de-orbiting at end of life. The operational system involves a conductive tape-tether left bare of insulation to establish anodic contact with the ambient plasma as a giant Langmuir probe. The project will size the three disparate dimensions of a tape for a selected de-orbit mission and determine scaling laws to allow system design for a general mission. It will implement control laws to restrain tether dynamics in/off the orbital plane; and will carry out plasma chamber measurements and numerical simulations of tether-plasma interaction. The project also involves the design and manufacturing of subsystems: electron-ejecting plasma contactors, an electric control and power module, interface elements, tether and deployment mechanisms, tether tape/end-mass as well as current collection plus free-fall, and hypervelocity impact tests.

GEODA-SARAS: Multi-Phased array planar antenna for satellite communications

Nowadays, earth stations have as a common feature the use of large reflector antenna for downloading data from satellites. Large reflectors have impairments such as mechanical complexity, low flexibility and high cost. Thus, the feasibility of other antenna technologies must be evaluated, such as conformal adaptive antennas based on multiple planar active arrays. In the scenery under study, the capability to track several satellites simultaneously, higher flexibility, lower production and maintenance cost, modularity and a more efficient use of the spectrum; are the most important advantage to boost up active antenna arrays over large dishes.

Survival probability of round and tape tethers against debris impact

The current space environment, consisting of manmade debris and micrometeoroids, poses a risk to safe operations in space, and the situation is continuously deteriorating due to in-orbit debris collisions and to new satellite launches. Bare electrodynamic tethers can provide an efficient mechanism for rapid deorbiting of satellites from low Earth orbit at end of life. Because of its particular geometry (length very much larger than cross-sectional dimensions), a tether may have a relatively high risk of being severed by the single impact of small debris. The rates of fatal impact of orbital debris on round and tape tethers of equal length and mass, evaluated with an analytical approximation to debris flux modeled by NASA’s ORDEM2000, shows much higher survival probability for tapes. A comparative numerical analysis using debris flux model ORDEM2000 and ESA’s MASTER2005 validates the analytical result and shows that, for a given time in orbit, a tape has a probability of survival of about one and a half orders of magnitude higher than a round tether of equal mass and length. Because deorbiting from a given altitude is much faster for the tape due to its larger perimeter, its probability of survival in a practical sense is quite high.