Methodologies for Collision Risk Computation = Metodologías para Cálculo de Riesgo de Colisión

Esta tesis aborda metodologías para el cálculo de riesgo de colisión de satélites. La minimización del riesgo de colisión se debe abordar desde dos puntos de vista distintos. Desde el punto de vista operacional, es necesario filtrar los objetos que pueden presentar un encuentro entre todos los objetos que comparten el espacio con un satélite operacional. Puesto que las órbitas, del objeto operacional y del objeto envuelto en la colisión, no se conocen perfectamente, la geometría del encuentro y el riesgo de colisión deben ser evaluados. De acuerdo con dicha geometría o riesgo, una maniobra evasiva puede ser necesaria para evitar la colisión. Dichas maniobras implican un consumo de combustible que impacta en la capacidad de mantenimiento orbital y por tanto de la visa útil del satélite. Por tanto, el combustible necesario a lo largo de la vida útil de un satélite debe ser estimado en fase de diseño de la misión para una correcta definición de su vida útil, especialmente para satélites orbitando en regímenes orbitales muy poblados. Los dos aspectos, diseño de misión y aspectos operacionales en relación con el riesgo de colisión están abordados en esta tesis y se resumen en la Figura 3. En relación con los aspectos relacionados con el diseño de misión (parte inferior de la figura), es necesario evaluar estadísticamente las características de de la población espacial y las teorías que permiten calcular el número medio de eventos encontrados por una misión y su capacidad de reducir riesgo de colisión. Estos dos aspectos definen los procedimientos más apropiados para reducir el riesgo de colisión en fase operacional. Este aspecto es abordado, comenzando por la teoría descrita en [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 e implementada por el autor de esta tesis en la herramienta ARES [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 proporcionada por ESA para la evaluación de estrategias de evitación de colisión. Esta teoría es extendida en esta tesis para considerar las características de los datos orbitales disponibles en las fases operacionales de un satélite (sección 4.3.3). Además, esta teoría se ha extendido para considerar riesgo máximo de colisión cuando la incertidumbre de las órbitas de objetos catalogados no es conocida (como se da el caso para los TLE), y en el caso de querer sólo considerar riesgo de colisión catastrófico (sección 4.3.2.3). Dichas mejoras se han incluido en la nueva versión de ARES [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 puesta a disposición a través de [SDUP,2014]R.60. En fase operacional, los catálogos que proporcionan datos orbitales de los objetos espaciales, son procesados rutinariamente, para identificar posibles encuentros que se analizan en base a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión para proponer maniobras de evasión. Actualmente existe una única fuente de datos públicos, el catálogo TLE (de sus siglas en inglés, Two Line Elements). Además, el Joint Space Operation Center (JSpOC) Americano proporciona mensajes con alertas de colisión (CSM) cuando el sistema de vigilancia americano identifica un posible encuentro. En función de los datos usados en fase operacional (TLE o CSM), la estrategia de evitación puede ser diferente debido a las características de dicha información. Es preciso conocer las principales características de los datos disponibles (respecto a la precisión de los datos orbitales) para estimar los posibles eventos de colisión encontrados por un satélite a lo largo de su vida útil. En caso de los TLE, cuya precisión orbital no es proporcionada, la información de precisión orbital derivada de un análisis estadístico se puede usar también en el proceso operacional así como en el diseño de la misión. En caso de utilizar CSM como base de las operaciones de evitación de colisiones, se conoce la precisión orbital de los dos objetos involucrados. Estas características se han analizado en detalle, evaluando estadísticamente las características de ambos tipos de datos. Una vez concluido dicho análisis, se ha analizado el impacto de utilizar TLE o CSM en las operaciones del satélite (sección 5.1). Este análisis se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. En dicho análisis, se proporcionan recomendaciones para distintas misiones (tamaño del satélite y régimen orbital) en relación con las estrategias de evitación de colisión para reducir el riesgo de colisión de manera significativa. Por ejemplo, en el caso de un satélite en órbita heliosíncrona en régimen orbital LEO, el valor típico del ACPL que se usa de manera extendida es 10-4. Este valor no es adecuado cuando los esquemas de evitación de colisión se realizan sobre datos TLE. En este caso, la capacidad de reducción de riesgo es prácticamente nula (debido a las grandes incertidumbres de los datos TLE) incluso para tiempos cortos de predicción. Para conseguir una reducción significativa del riesgo, sería necesario usar un ACPL en torno a 10-6 o inferior, produciendo unas 10 alarmas al año por satélite (considerando predicciones a un día) o 100 alarmas al año (con predicciones a tres días). Por tanto, la principal conclusión es la falta de idoneidad de los datos TLE para el cálculo de eventos de colisión. Al contrario, usando los datos CSM, debido a su mejor precisión orbital, se puede obtener una reducción significativa del riesgo con ACPL en torno a 10-4 (considerando 3 días de predicción). Incluso 5 días de predicción pueden ser considerados con ACPL en torno a 10-5. Incluso tiempos de predicción más largos se pueden usar (7 días) con reducción del 90% del riesgo y unas 5 alarmas al año (en caso de predicciones de 5 días, el número de maniobras se mantiene en unas 2 al año). La dinámica en GEO es diferente al caso LEO y hace que el crecimiento de las incertidumbres orbitales con el tiempo de propagación sea menor. Por el contrario, las incertidumbres derivadas de la determinación orbital son peores que en LEO por las diferencias en las capacidades de observación de uno y otro régimen orbital. Además, se debe considerar que los tiempos de predicción considerados para LEO pueden no ser apropiados para el caso de un satélite GEO (puesto que tiene un periodo orbital mayor). En este caso usando datos TLE, una reducción significativa del riesgo sólo se consigue con valores pequeños de ACPL, produciendo una alarma por año cuando los eventos de colisión se predicen a un día vista (tiempo muy corto para implementar maniobras de evitación de colisión).Valores más adecuados de ACPL se encuentran entre 5•10-8 y 10-7, muy por debajo de los valores usados en las operaciones actuales de la mayoría de las misiones GEO (de nuevo, no se recomienda en este régimen orbital basar las estrategias de evitación de colisión en TLE). Los datos CSM permiten una reducción de riesgo apropiada con ACPL entre 10-5 y 10-4 con tiempos de predicción cortos y medios (10-5 se recomienda para predicciones a 5 o 7 días). El número de maniobras realizadas sería una en 10 años de misión. Se debe notar que estos cálculos están realizados para un satélite de unos 2 metros de radio. En el futuro, otros sistemas de vigilancia espacial (como el programa SSA de la ESA), proporcionarán catálogos adicionales de objetos espaciales con el objetivo de reducir el riesgo de colisión de los satélites. Para definir dichos sistemas de vigilancia, es necesario identificar las prestaciones del catalogo en función de la reducción de riesgo que se pretende conseguir. Las características del catálogo que afectan principalmente a dicha capacidad son la cobertura (número de objetos incluidos en el catalogo, limitado principalmente por el tamaño mínimo de los objetos en función de las limitaciones de los sensores utilizados) y la precisión de los datos orbitales (derivada de las prestaciones de los sensores en relación con la precisión de las medidas y la capacidad de re-observación de los objetos). El resultado de dicho análisis (sección 5.2) se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. Este análisis no estaba inicialmente previsto durante la tesis, y permite mostrar como la teoría descrita en esta tesis, inicialmente definida para facilitar el diseño de misiones (parte superior de la figura 1) se ha extendido y se puede aplicar para otros propósitos como el dimensionado de un sistema de vigilancia espacial (parte inferior de la figura 1). La principal diferencia de los dos análisis se basa en considerar las capacidades de catalogación (precisión y tamaño de objetos observados) como una variable a modificar en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia), siendo fijas en el caso de un diseño de misión. En el caso de las salidas generadas en el análisis, todos los aspectos calculados en un análisis estadístico de riesgo de colisión son importantes para diseño de misión (con el objetivo de calcular la estrategia de evitación y la cantidad de combustible a utilizar), mientras que en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia, los aspectos más importantes son el número de maniobras y falsas alarmas (fiabilidad del sistema) y la capacidad de reducción de riesgo (efectividad del sistema). Adicionalmente, un sistema de vigilancia espacial debe ser caracterizado por su capacidad de evitar colisiones catastróficas (evitando así in incremento dramático de la población de basura espacial), mientras que el diseño de una misión debe considerar todo tipo de encuentros, puesto que un operador está interesado en evitar tanto las colisiones catastróficas como las letales. Del análisis de las prestaciones (tamaño de objetos a catalogar y precisión orbital) requeridas a un sistema de vigilancia espacial se concluye que ambos aspectos han de ser fijados de manera diferente para los distintos regímenes orbitales. En el caso de LEO se hace necesario observar objetos de hasta 5cm de radio, mientras que en GEO se rebaja este requisito hasta los 100 cm para cubrir las colisiones catastróficas. La razón principal para esta diferencia viene de las diferentes velocidades relativas entre los objetos en ambos regímenes orbitales. En relación con la precisión orbital, ésta ha de ser muy buena en LEO para poder reducir el número de falsas alarmas, mientras que en regímenes orbitales más altos se pueden considerar precisiones medias. En relación con los aspectos operaciones de la determinación de riesgo de colisión, existen varios algoritmos de cálculo de riesgo entre dos objetos espaciales. La Figura 2 proporciona un resumen de los casos en cuanto a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión y como se abordan en esta tesis. Normalmente se consideran objetos esféricos para simplificar el cálculo de riesgo (caso A). Este caso está ampliamente abordado en la literatura y no se analiza en detalle en esta tesis. Un caso de ejemplo se proporciona en la sección 4.2. Considerar la forma real de los objetos (caso B) permite calcular el riesgo de una manera más precisa. Un nuevo algoritmo es definido en esta tesis para calcular el riesgo de colisión cuando al menos uno de los objetos se considera complejo (sección 4.4.2). Dicho algoritmo permite calcular el riesgo de colisión para objetos formados por un conjunto de cajas, y se ha presentado en varias conferencias internacionales. Para evaluar las prestaciones de dicho algoritmo, sus resultados se han comparado con un análisis de Monte Carlo que se ha definido para considerar colisiones entre cajas de manera adecuada (sección 4.1.2.3), pues la búsqueda de colisiones simples aplicables para objetos esféricos no es aplicable a este caso. Este análisis de Monte Carlo se considera la verdad a la hora de calcular los resultados del algoritmos, dicha comparativa se presenta en la sección 4.4.4. En el caso de satélites que no se pueden considerar esféricos, el uso de un modelo de la geometría del satélite permite descartar eventos que no son colisiones reales o estimar con mayor precisión el riesgo asociado a un evento. El uso de estos algoritmos con geometrías complejas es más relevante para objetos de dimensiones grandes debido a las prestaciones de precisión orbital actuales. En el futuro, si los sistemas de vigilancia mejoran y las órbitas son conocidas con mayor precisión, la importancia de considerar la geometría real de los satélites será cada vez más relevante. La sección 5.4 presenta un ejemplo para un sistema de grandes dimensiones (satélite con un tether). Adicionalmente, si los dos objetos involucrados en la colisión tienen velocidad relativa baja (y geometría simple, Caso C en la Figura 2), la mayor parte de los algoritmos no son aplicables requiriendo implementaciones dedicadas para este caso particular. En esta tesis, uno de estos algoritmos presentado en la literatura [Patera, 2001]R.26 se ha analizado para determinar su idoneidad en distintos tipos de eventos (sección 4.5). La evaluación frete a un análisis de Monte Carlo se proporciona en la sección 4.5.2. Tras este análisis, se ha considerado adecuado para abordar las colisiones de baja velocidad. En particular, se ha concluido que el uso de algoritmos dedicados para baja velocidad son necesarios en función del tamaño del volumen de colisión proyectado en el plano de encuentro (B-plane) y del tamaño de la incertidumbre asociada al vector posición entre los dos objetos. Para incertidumbres grandes, estos algoritmos se hacen más necesarios pues la duración del intervalo en que los elipsoides de error de los dos objetos pueden intersecar es mayor. Dicho algoritmo se ha probado integrando el algoritmo de colisión para objetos con geometrías complejas. El resultado de dicho análisis muestra que este algoritmo puede ser extendido fácilmente para considerar diferentes tipos de algoritmos de cálculo de riesgo de colisión (sección 4.5.3). Ambos algoritmos, junto con el método Monte Carlo para geometrías complejas, se han implementado en la herramienta operacional de la ESA CORAM, que es utilizada para evaluar el riesgo de colisión en las actividades rutinarias de los satélites operados por ESA [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. Este hecho muestra el interés y relevancia de los algoritmos desarrollados para la mejora de las operaciones de los satélites. Dichos algoritmos han sido presentados en varias conferencias internacionales [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1. ABSTRACT This document addresses methodologies for computation of the collision risk of a satellite. Two different approaches need to be considered for collision risk minimisation. On an operational basis, it is needed to perform a sieve of possible objects approaching the satellite, among all objects sharing the space with an operational satellite. As the orbits of both, satellite and the eventual collider, are not perfectly known but only estimated, the miss-encounter geometry and the actual risk of collision shall be evaluated. In the basis of the encounter geometry or the risk, an eventual manoeuvre may be required to avoid the conjunction. Those manoeuvres will be associated to a reduction in the fuel for the mission orbit maintenance, and thus, may reduce the satellite operational lifetime. Thus, avoidance manoeuvre fuel budget shall be estimated, at mission design phase, for a better estimation of mission lifetime, especially for those satellites orbiting in very populated orbital regimes. These two aspects, mission design and operational collision risk aspects, are summarised in Figure 3, and covered along this thesis. Bottom part of the figure identifies the aspects to be consider for the mission design phase (statistical characterisation of the space object population data and theory computing the mean number of events and risk reduction capability) which will define the most appropriate collision avoidance approach at mission operational phase. This part is covered in this work by starting from the theory described in [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 and implemented by this author in ARES tool [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 provided by ESA for evaluation of collision avoidance approaches. This methodology has been now extended to account for the particular features of the available data sets in operational environment (section 4.3.3). Additionally, the formulation has been extended to allow evaluating risk computation approached when orbital uncertainty is not available (like the TLE case) and when only catastrophic collisions are subject to study (section 4.3.2.3). These improvements to the theory have been included in the new version of ESA ARES tool [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 and available through [SDUP,2014]R.60. At the operation phase, the real catalogue data will be processed on a routine basis, with adequate collision risk computation algorithms to propose conjunction avoidance manoeuvre optimised for every event. The optimisation of manoeuvres in an operational basis is not approached along this document. Currently, American Two Line Element (TLE) catalogue is the only public source of data providing orbits of objects in space to identify eventual conjunction events. Additionally, Conjunction Summary Message (CSM) is provided by Joint Space Operation Center (JSpOC) when the American system identifies a possible collision among satellites and debris. Depending on the data used for collision avoidance evaluation, the conjunction avoidance approach may be different. The main features of currently available data need to be analysed (in regards to accuracy) in order to perform estimation of eventual encounters to be found along the mission lifetime. In the case of TLE, as these data is not provided with accuracy information, operational collision avoidance may be also based on statistical accuracy information as the one used in the mission design approach. This is not the case for CSM data, which includes the state vector and orbital accuracy of the two involved objects. This aspect has been analysed in detail and is depicted in the document, evaluating in statistical way the characteristics of both data sets in regards to the main aspects related to collision avoidance. Once the analysis of data set was completed, investigations on the impact of those features in the most convenient avoidance approaches have been addressed (section 5.1). This analysis is published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. The analysis provides recommendations for different mission types (satellite size and orbital regime) in regards to the most appropriate collision avoidance approach for relevant risk reduction. The risk reduction capability is very much dependent on the accuracy of the catalogue utilized to identify eventual collisions. Approaches based on CSM data are recommended against the TLE based approach. Some approaches based on the maximum risk associated to envisaged encounters are demonstrated to report a very large number of events, which makes the approach not suitable for operational activities. Accepted Collision Probability Levels are recommended for the definition of the avoidance strategies for different mission types. For example for the case of a LEO satellite in the Sun-synchronous regime, the typically used ACPL value of 10-4 is not a suitable value for collision avoidance schemes based on TLE data. In this case the risk reduction capacity is almost null (due to the large uncertainties associated to TLE data sets, even for short time-to-event values). For significant reduction of risk when using TLE data, ACPL on the order of 10-6 (or lower) seems to be required, producing about 10 warnings per year and mission (if one-day ahead events are considered) or 100 warnings per year (for three-days ahead estimations). Thus, the main conclusion from these results is the lack of feasibility of TLE for a proper collision avoidance approach. On the contrary, for CSM data, and due to the better accuracy of the orbital information when compared with TLE, ACPL on the order of 10-4 allows to significantly reduce the risk. This is true for events estimated up to 3 days ahead. Even 5 days ahead events can be considered, but ACPL values down to 10-5 should be considered in such case. Even larger prediction times can be considered (7 days) for risk reduction about 90%, at the cost of larger number of warnings up to 5 events per year, when 5 days prediction allows to keep the manoeuvre rate in 2 manoeuvres per year. Dynamics of the GEO orbits is different to that in LEO, impacting on a lower increase of orbits uncertainty along time. On the contrary, uncertainties at short prediction times at this orbital regime are larger than those at LEO due to the differences in observation capabilities. Additionally, it has to be accounted that short prediction times feasible at LEO may not be appropriate for a GEO mission due to the orbital period being much larger at this regime. In the case of TLE data sets, significant reduction of risk is only achieved for small ACPL values, producing about a warning event per year if warnings are raised one day in advance to the event (too short for any reaction to be considered). Suitable ACPL values would lay in between 5•10-8 and 10-7, well below the normal values used in current operations for most of the GEO missions (TLE-based strategies for collision avoidance at this regime are not recommended). On the contrary, CSM data allows a good reduction of risk with ACPL in between 10-5 and 10-4 for short and medium prediction times. 10-5 is recommended for prediction times of five or seven days. The number of events raised for a suitable warning time of seven days would be about one in a 10-year mission. It must be noted, that these results are associated to a 2 m radius spacecraft, impact of the satellite size are also analysed within the thesis. In the future, other Space Situational Awareness Systems (SSA, ESA program) may provide additional catalogues of objects in space with the aim of reducing the risk. It is needed to investigate which are the required performances of those catalogues for allowing such risk reduction. The main performance aspects are coverage (objects included in the catalogue, mainly limited by a minimum object size derived from sensor performances) and the accuracy of the orbital data to accurately evaluate the conjunctions (derived from sensor performance in regards to object observation frequency and accuracy). The results of these investigations (section 5.2) are published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. This aspect was not initially foreseen as objective of the thesis, but it shows how the theory described in the thesis, initially defined for mission design in regards to avoidance manoeuvre fuel allocation (upper part of figure 1), is extended and serves for additional purposes as dimensioning a Space Surveillance and Tracking (SST) system (bottom part of figure below). The main difference between the two approaches is the consideration of the catalogue features as part of the theory which are not modified (for the satellite mission design case) instead of being an input for the analysis (in the case of the SST design). In regards to the outputs, all the features computed by the statistical conjunction analysis are of importance for mission design (with the objective of proper global avoidance strategy definition and fuel allocation), whereas for the case of SST design, the most relevant aspects are the manoeuvre and false alarm rates (defining a reliable system) and the Risk Reduction capability (driving the effectiveness of the system). In regards to the methodology for computing the risk, the SST system shall be driven by the capacity of providing the means to avoid catastrophic conjunction events (avoiding the dramatic increase of the population), whereas the satellite mission design should consider all type of encounters, as the operator is interested on avoiding both lethal and catastrophic collisions. From the analysis of the SST features (object coverage and orbital uncertainty) for a reliable system, it is concluded that those two characteristics are to be imposed differently for the different orbital regimes, as the population level is different depending on the orbit type. Coverage values range from 5 cm for very populated LEO regime up to 100 cm in the case of GEO region. The difference on this requirement derives mainly from the relative velocity of the encounters at those regimes. Regarding the orbital knowledge of the catalogues, very accurate information is required for objects in the LEO region in order to limit the number of false alarms, whereas intermediate orbital accuracy can be considered for higher orbital regimes. In regards to the operational collision avoidance approaches, several collision risk algorithms are used for evaluation of collision risk of two pair of objects. Figure 2 provides a summary of the different collision risk algorithm cases and indicates how they are covered along this document. The typical case with high relative velocity is well covered in literature for the case of spherical objects (case A), with a large number of available algorithms, that are not analysed in detailed in this work. Only a sample case is provided in section 4.2. If complex geometries are considered (Case B), a more realistic risk evaluation can be computed. New approach for the evaluation of risk in the case of complex geometries is presented in this thesis (section 4.4.2), and it has been presented in several international conferences. The developed algorithm allows evaluating the risk for complex objects formed by a set of boxes. A dedicated Monte Carlo method has also been described (section 4.1.2.3) and implemented to allow the evaluation of the actual collisions among a large number of simulation shots. This Monte Carlo runs are considered the truth for comparison of the algorithm results (section 4.4.4). For spacecrafts that cannot be considered as spheres, the consideration of the real geometry of the objects may allow to discard events which are not real conjunctions, or estimate with larger reliability the risk associated to the event. This is of particular importance for the case of large spacecrafts as the uncertainty in positions of actual catalogues does not reach small values to make a difference for the case of objects below meter size. As the tracking systems improve and the orbits of catalogued objects are known more precisely, the importance of considering actual shapes of the objects will become more relevant. The particular case of a very large system (as a tethered satellite) is analysed in section 5.4. Additionally, if the two colliding objects have low relative velocity (and simple geometries, case C in figure above), the most common collision risk algorithms fail and adequate theories need to be applied. In this document, a low relative velocity algorithm presented in the literature [Patera, 2001]R.26 is described and evaluated (section 4.5). Evaluation through comparison with Monte Carlo approach is provided in section 4.5.2. The main conclusion of this analysis is the suitability of this algorithm for the most common encounter characteristics, and thus it is selected as adequate for collision risk estimation. Its performances are evaluated in order to characterise when it can be safely used for a large variety of encounter characteristics. In particular, it is found that the need of using dedicated algorithms depend on both the size of collision volume in the B-plane and the miss-distance uncertainty. For large uncertainties, the need of such algorithms is more relevant since for small uncertainties the encounter duration where the covariance ellipsoids intersect is smaller. Additionally, its application for the case of complex satellite geometries is assessed (case D in figure above) by integrating the developed algorithm in this thesis with Patera’s formulation for low relative velocity encounters. The results of this analysis show that the algorithm can be easily extended for collision risk estimation process suitable for complex geometry objects (section 4.5.3). The two algorithms, together with the Monte Carlo method, have been implemented in the operational tool CORAM for ESA which is used for the evaluation of collision risk of ESA operated missions, [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. This fact shows the interest and relevance of the developed algorithms for improvement of satellite operations. The algorithms have been presented in several international conferences, [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1.

Desarrollo de manejadores y pruebas de integración del computador de a bordo del microsatélite UPMSat-2

Varios grupos de la Universidad Politécnica de Madrid se encuentran actualmente desarrollando un micro-satélite de experimentación bajo el proyecto UPMSat-2, sucesor de otro exitoso proyecto similar, el UPM-Sat 1. Bajo este marco la autora del presente documento ha llevado a cabo la realización de tres tareas fundamentales para hacer posible la puesta en órbita de dicho satélite. Las tareas principales definidas como alcance de este proyecto pretenden facilitar el uso de la memoria no volátil del computador de a bordo y comprobar el funcionamiento de todos los sistemas del satélite. Por ello se ha realizado el arranque desde la memoria no volátil junto con un manejador para el uso de la misma y un conjunto de pruebas de validación del software e integración del hardware. La satisfacción con los resultados obtenidos ha hecho posible la inclusión del software y pruebas desarrolladas al conjunto de todo el software del proyecto UPMSat-2, contribuyendo así a la capacidad del satélite para ser puesto en órbita.---ABSTRACT---UPMSat-2, the successor of UPM-Sat 1, is a joint project for the development of a micro-satellite for experimentation, which is being carried out by various research groups at Universidad Politécnica de Madrid. The author of this document has developed three main tasks to make possible the correct operation of this satellite during the duration of its mission. The scope of the present work is to enable the use of the on-board computer’s non-volatile memory and the development of a software to test that the satellite’s subsystems are working properly. To this end, the non-volatile memory’s boot sequence has been implemented together with the driver to use such memory, and a series of validation and integration tests for the software and the hardware. The results of the this work have been satisfactory, therefore they have been included in UPMSat-2’s software, contributing this way to the capacity of the satellite to carry out its mission.

Analytical models for the power subsystem and the attitude control subsystem of a microsatellite

El trabajo realizado en la presente tesis doctoral se debe considerar parte del proyecto UPMSat-2, que se enmarca dentro del ámbito de la tecnología aeroespacial. El UPMSat-2 es un microsatélite (de bajo coste y pequeño tamaño) diseñado, construido, probado e integrado por la Universidad Politécnica de Madrid (España), para fines de demostración tecnológica y educación. El objetivo de la presente tesis doctoral es presentar nuevos modelos analíticos para estudiar la interdependencia energética entre los subsistemas de potencia y de control de actitud de un satélite. En primer lugar, se estudia la simulación del subsistema de potencia de un microsatélite, prestando especial atención a la simulación de la fuente de potencia, esto es, los paneles solares. En la tesis se presentan métodos sencillos pero precisos para simular la producción de energía de los paneles en condiciones ambientales variables a través de su circuito equivalente. Los métodos propuestos para el cálculo de los parámetros del circuito equivalente son explícitos (o al menos, con las variables desacopladas), no iterativos y directos; no se necesitan iteraciones o valores iniciales para calcular los parámetros. La precisión de este método se prueba y se compara con métodos similares de la literatura disponible, demostrando una precisión similar para mayor simplicidad. En segundo lugar, se presenta la simulación del subsistema de control de actitud de un microsatélite, prestando especial atención a la nueva ley de control propuesta. La tesis presenta un nuevo tipo de control magnético es aplicable a la órbita baja terrestre (LEO). La ley de control propuesta es capaz de ajustar la velocidad de rotación del satélite alrededor de su eje principal de inercia máximo o mínimo. Además, en el caso de órbitas de alta inclinación, la ley de control favorece la alineación del eje de rotación con la dirección normal al plano orbital. El algoritmo de control propuesto es simple, sólo se requieren magnetopares como actuadores; sólo se requieren magnetómetros como sensores; no hace falta estimar la velocidad angular; no incluye un modelo de campo magnético de la Tierra; no tiene por qué ser externamente activado con información sobre las características orbitales y permite el rearme automático después de un apagado total del subsistema de control de actitud. La viabilidad teórica de la citada ley de control se demuestra a través de análisis de Monte Carlo. Por último, en términos de producción de energía, se demuestra que la actitud propuesto (en eje principal perpendicular al plano de la órbita, y el satélite que gira alrededor de ella con una velocidad controlada) es muy adecuado para la misión UPMSat-2, ya que permite una área superior de los paneles apuntando hacia el sol cuando se compara con otras actitudes estudiadas. En comparación con el control de actitud anterior propuesto para el UPMSat-2 resulta en un incremento de 25% en la potencia disponible. Además, la actitud propuesto mostró mejoras significativas, en comparación con otros, en términos de control térmico, como la tasa de rotación angular por satélite puede seleccionarse para conseguir una homogeneización de la temperatura más alta que apunta satélite y la antena. ABSTRACT The work carried out in the present doctoral dissertation should be considered part of the UPMSat-2 project, falling within the scope of the aerospace technology. The UPMSat-2 is a microsatellite (low cost and small size) designed, constructed integrated and tested for educational and technology demonstration purposes at the Universidad Politécnica de Madrid (Spain). The aim of the present doctoral dissertation is to present new analytical models to study the energy interdependence between the power and the attitude control subsystems of a satellite. First, the simulation of the power subsystem of a microsatellite is studied, paying particular attention to the simulation of the power supply, i.e. the solar panels. Simple but accurate methods for simulate the power production under variable ambient conditions using its equivalent circuit are presented. The proposed methods for calculate the equivalent circuit parameters are explicit (or at least, with decoupled variables), non-iterative and straight forward; no iterations or initial values for the parameters are needed. The accuracy of this method is tested and compared with similar methods from the available literature demonstrating similar precision but higher simplicity. Second, the simulation of the control subsystem of a microsatellite is presented, paying particular attention to the new control law proposed. A new type of magnetic control applied to Low Earth Orbit (LEO) satellites has been presented. The proposed control law is able to set the satellite rotation speed around its maximum or minimum inertia principal axis. Besides, the proposed control law favors the alignment of this axis with the normal direction to the orbital plane for high inclination orbits. The proposed control algorithm is simples, only magnetorquers are required as actuators; only magnetometers are required as sensors; no estimation of the angular velocity is needed; it does not include an in-orbit Earth magnetic field model; it does not need to be externally activated with information about the orbital characteristics and it allows automatic reset after a total shutdown of attitude control subsystem. The theoretical viability of the control law is demonstrated through Monte Carlo analysis. Finally, in terms of power production, it is demonstrated that the proposed attitude (on principal axis perpendicular to the orbit plane, and the satellite rotating around it with a controlled rate) is quite suitable for the UPMSat-2 mission, as it allows a higher area of the panels pointing towards the sun when compared to other studied attitudes. Compared with the previous attitude control proposed for the UPMSat-2 it results in a 25% increment in available power. Besides, the proposed attitude showed significant improvements, when compared to others, in terms of thermal control, as the satellite angular rotation rate can be selected to achieve a higher temperature homogenization of the satellite and antenna pointing.

Análisis, desarrollo y optimización de un sistema para el diseño de redes topográficas valorando el modelo digital del terreno

El presente trabajo tiene como objetivo general el análisis de las técnicas de diseño y optimización de redes topográficas, observadas mediante topografía convencional (no satelital) el desarrollo e implementación de un sistema informático capaz de ayudar a la definición de la geometría más fiable y precisa, en función de la orografía del terreno donde se tenga que ubicar. En primer lugar se realizará un estudio de la metodología del ajuste mediante mínimos cuadrados y la propagación de varianzas, para posteriormente analizar su dependencia de la geometría que adopte la red. Será imprescindible determinar la independencia de la matriz de redundancia (R) de las observaciones y su total dependencia de la geometría, así como la influencia de su diagonal principal (rii), números de redundancia, para garantizar la máxima fiabilidad interna de la misma. También se analizará el comportamiento de los números de redundancia (rii) en el diseño de una red topográfica, la variación de dichos valores en función de la geometría, analizando su independencia respecto de las observaciones así como los diferentes niveles de diseño en función de los parámetros y datos conocidos. Ha de señalarse que la optimización de la red, con arreglo a los criterios expuestos, está sujeta a los condicionantes que impone la necesidad de que los vértices sean accesibles, y además sean visibles entre sí, aquellos relacionados por observaciones, situaciones que dependen esencialmente del relieve del terreno y de los obstáculos naturales o artificiales que puedan existir. Esto implica la necesidad de incluir en el análisis y en el diseño, cuando menos de un modelo digital del terreno (MDT), aunque lo más útil sería la inclusión en el estudio del modelo digital de superficie (MDS), pero esta opción no siempre será posible. Aunque el tratamiento del diseño esté basado en un sistema bidimensional se estudiará la posibilidad de incorporar un modelo digital de superficie (MDS); esto permitirá a la hora de diseñar el emplazamiento de los vértices de la red la viabilidad de las observaciones en función de la orografía y los elementos, tanto naturales como artificiales, que sobre ella estén ubicados. Este sistema proporcionaría, en un principio, un diseño óptimo de una red constreñida, atendiendo a la fiabilidad interna y a la precisión final de sus vértices, teniendo en cuenta la orografía, lo que equivaldría a resolver un planteamiento de diseño en dos dimensiones y media1; siempre y cuando se dispusiera de un modelo digital de superficie o del terreno. Dado que la disponibilidad de obtener de manera libre el MDS de las zonas de interés del proyecto, hoy en día es costoso2, se planteará la posibilidad de conjuntar, para el estudio del diseño de la red, de un modelo digital del terreno. Las actividades a desarrollar en el trabajo de esta tesis se describen en esta memoria y se enmarcan dentro de la investigación para la que se plantean los siguientes objetivos globales: 1. Establecer un modelo matemático del proceso de observación de una red topográfica, atendiendo a todos los factores que intervienen en el mismo y a su influencia sobre las estimaciones de las incógnitas que se obtienen como resultado del ajuste de las observaciones. 2. Desarrollar un sistema que permita optimizar una red topográfica en sus resultados, aplicando técnicas de diseño y simulación sobre el modelo anterior. 3. Presentar una formulación explícita y rigurosa de los parámetros que valoran la fiabilidad de una red topográfica y de sus relaciones con el diseño de la misma. El logro de este objetivo se basa, además de en la búsqueda y revisión de las fuentes, en una intensa labor de unificación de notaciones y de construcción de pasos intermedios en los desarrollos matemáticos. 4. Elaborar una visión conjunta de la influencia del diseño de una red, en los seis siguientes factores (precisiones a posteriori, fiabilidad de las observaciones, naturaleza y viabilidad de las mismas, instrumental y metodología de estacionamiento) como criterios de optimización, con la finalidad de enmarcar el tema concreto que aquí se aborda. 5. Elaborar y programar los algoritmos necesarios para poder desarrollar una aplicación que sea capaz de contemplar las variables planteadas en el apartado anterior en el problema del diseño y simulación de redes topográficas, contemplando el modelo digital de superficie. Podrían considerarse como objetivos secundarios, los siguientes apartados: Desarrollar los algoritmos necesarios para interrelacionar el modelo digital del terreno con los propios del diseño. Implementar en la aplicación informática la posibilidad de variación, por parte del usuario, de los criterios de cobertura de los parámetros (distribución normal o t de Student), así como los grados de fiabilidad de los mismos ABSTRACT The overall purpose of this work is the analysis of the techniques of design and optimization for geodetic networks, measured with conventional survey methods (not satellite), the development and implementation of a computational system capable to help on the definition of the most liable and accurate geometry, depending on the land orography where the network has to be located. First of all, a study of the methodology by least squares adjustment and propagation of variances will be held; then, subsequently, analyze its dependency of the geometry that the network will take. It will be essential to determine the independency of redundancy matrix (R) from the observations and its absolute dependency from the network geometry, as well as the influence of the diagonal terms of the R matrix (rii), redundancy numbers, in order to ensure maximum re liability of the network. It will also be analyzed first the behavior of redundancy numbers (rii) in surveying network design, then the variation of these values depending on the geometry with the analysis of its independency from the observations, and finally the different design levels depending on parameters and known data. It should be stated that network optimization, according to exposed criteria, is subject to the accessibility of the network points. In addition, common visibility among network points, which of them are connected with observations, has to be considered. All these situations depends essentially on the terrain relief and the natural or artificial obstacles that should exist. Therefore, it is necessary to include, at least, a digital terrain model (DTM), and better a digital surface model (DSM), not always available. Although design treatment is based on a bidimensional system, the possibility of incorporating a digital surface model (DSM) will be studied; this will allow evaluating the observations feasibility based on the terrain and the elements, both natural and artificial, which are located on it, when selecting network point locations. This system would provide, at first, an optimal design of a constrained network, considering both the internal reliability and the accuracy of its points (including the relief). This approach would amount to solving a “two and a half dimensional”3 design, if a digital surface model is available. As the availability of free DSM4 of the areas of interest of the project today is expensive, the possibility of combining a digital terrain model will arise. The activities to be developed on this PhD thesis are described in this document and are part of the research for which the following overall objectives are posed: 1. To establish a mathematical model for the process of observation of a survey network, considering all the factors involved and its influence on the estimates of the unknowns that are obtained as a result of the observations adjustment. 2. To develop a system to optimize a survey network results, applying design and simulation techniques on the previous model. 3. To present an explicit and rigorous formulation of parameters which assess the reliability of a survey network and its relations with the design. The achievement of this objective is based, besides on the search and review of sources, in an intense work of unification of notation and construction of intermediate steps in the mathematical developments. 4. To develop an overview of the influence on the network design of six major factors (posterior accuracy, observations reliability, viability of observations, instruments and station methodology) as optimization criteria, in order to define the subject approached on this document. 5. To elaborate and program the algorithms needed to develop an application software capable of considering the variables proposed in the previous section, on the problem of design and simulation of surveying networks, considering the digital surface model. It could be considered as secondary objectives, the following paragraphs: To develop the necessary algorithms to interrelate the digital terrain model with the design ones. To implement in the software application the possibility of variation of the coverage criteria parameters (normal distribution or Student t test) and therefore its degree of reliability.

Monitorización de emisiones de CO2 en análogos naturales de almacenamientos geológicos a través de la vegetación mediante técnicas de teledetección multiespectral

Uno de los problemas más importantes a los que se enfrenta nuestra sociedad es el de la degradación del medioambiente por la emisión de gases de efecto invernadero. La captura de CO2 en los puntos de emisión y su enterramiento mediante inyección en reservorios geológicos profundos se plantea como una solución hasta que a medio o largo plazo pueda ser mitigada la actual dependencia de la quema de combustibles fósiles. Pero la estabilidad de esos reservorios debe ser monitorizada adecuadamente. En esta tesis se ha estudiado el problema de la detección de fugas de CO2 en un análogo natural de un emplazamiento de almacenamiento profundo a través del análisis de imágenes de satélite multiespectrales. El análogo utilizado ha sido la zona de Campo de Calatrava (Ciudad Real, España), donde, por efecto de la actividad volcánica remanente, aún se pueden encontrar numerosos puntos de emisión de CO2. Se han caracterizado los puntos de emisión de CO2 identificándose dos tipologías con características y manifestaciones claramente diferenciadas: puntos de emisión húmeda o hervideros, y puntos de emisión seca o fumarolas. Para el estudio se han utilizado índices de vegetación y su relación de éstos con los contenidos atmosféricos de CO2. Se han utilizado imágenes multiespectrales de los satélites QuickBird y WorldView‐2. Se ha realizado una preselección de doce índices de vegetación especialmente adecuados para la detección de puntos de emisión de CO2. Mediante análisis y comparación de imágenes de índices de vegetación sobre puntos de emisión conocidos se ha seleccionado los cinco índices con mayor sensibilidad frente al fenómeno. Atendiendo a los principales factores condicionantes de la aparición de nuevos puntos de emisión de CO2 se ha realizado sobre las imágenes de índices de vegetación una predicción de nuevos puntos de emisión. Entre los puntos candidato se han encontrado tres nuevos puntos de emisión de CO2 no descritos previamente en la bibliografía. ABSTRACT One of the most important issues facing our society is the degradation of the environment caused by the emission of greenhouse gases. Capturing CO2 emissions, injection and burial in deep geological reservoirs is presented as a solution until the medium or long term, when the problem of the current dependence on fossil fuels burning can be mitigated. But the stability of these reservoirs should be properly monitored. In this work we study the problem of detecting CO2 leakage in a natural analogue of a deep storage site through analysis of multispectral satellite imagery. The analogue used is in the Campo de Calatrava (Ciudad Real, Spain) where, due to the remaining volcanic activity, it can still be found numerous CO2 emission points. CO2 emission points have been characterized identifying two types having distinct characteristics and effects: wet emission points or hotbeds, and dry emission points or fumaroles. For this study it has been used vegetation indices and its relationship with atmospheric CO2 contents. It has been used multispectral images from QuickBird and WorldView‐2 satellites. It has been done a preselection of twelve vegetation indices especially suitable for the detection of CO2 emission points. Using analysis and comparison of vegetation index images on real emission points it has been selected the five indexes with greater sensitivity to this phenomenon. Based upon the main factors of the emergence of new CO2 emission points it has been made a prediction of new emission points over the vegetation index images. Among the candidate points it has been found three new CO2 emission points not previously described in the literature.

Caracterización de sistemas vibroacústicos mediante análisis estadístico de energía

Hoy día nadie discute la importancia de predecir el comportamiento vibroacústico de estructuras (edificios, vehículos aeronaves, satélites). También se ha hecho patente, con el tiempo, que el rango espectral en el que la respuesta es importante se ha desplazado hacia alta frecuencia en prácticamente todos los campos. Esto ha hecho que los métodos de análisis en este rango alto de frecuencias cobren importancia y actualidad. Uno de los métodos más extendidos para este fin es el basado en el Análisis Estadístico de la Energía, SEA. Es un método que ha mostrado proporcionar un buen equilibrio entre potencia de calculo, precisión y fiabilidad. En un SEA el sistema (estructura, cavidades o aire circundante) se modela mediante una matriz de coeficientes que dependen directamente de los factores de pérdidas de las distintas partes del sistema. Formalmente es un método de análisis muy cómodo e intuitivo de manejar cuya mayor dificultad es precisamente la determinación de esos factores de pérdidas. El catálogo de expresiones analíticas o numéricas para su determinación no es suficientemente amplio por lo que normalmente siempre se suele acabar necesitando hacer uso de herramientas experimentales, ya sea para su obtención o la comprobación de los valores utilizados. La determinación experimental tampoco está exenta de problemas, su obtención necesita de configuraciones experimentales grandes y complejas con requisitos que pueden llegar a ser muy exigentes y en las que además, se ven involucrados problemas numéricos relacionados con los valores de los propios factores de pérdidas, el valor relativo entre ellos y las características de las matrices que conforman. Este trabajo estudia la caracterización de sistemas vibroacústicos mediante el análisis estadístico de energía. Se centra en la determinación precisa de los valores de los factores de pérdidas. Dados los problemas que puede presentar un sistema experimental de estas características, en una primera parte se estudia la influencia de todas las magnitudes que intervienen en la determinación de los factores de pérdidas mediante un estudio de incertidumbres relativas, que, por medio de los coeficientes de sensibilidad normalizados, indicará la importancia de cada una de las magnitudes de entrada (esencialmente energías y potencias) en los resultados. De esta parte se obtiene una visión general sobre a qué mensurados se debe prestar más atención, y de qué problemas pueden ser los que más influyan en la falta de estabilidad (o incoherencia) de los resultados. Además, proporciona un modelo de incertidumbres válido para los casos estudiados y ha permitido evaluar el error cometido por algún método utilizado habitualmente para la caracterización de factores de pérdidas como la aproximación a 2 subsistemas En una segunda parte se hace uso de las conclusiones obtenidas en la primera, de forma que el trabajo se orienta en dos direcciones. Una dirigida a la determi nación suficientemente fiel de la potencia de entrada que permita simplificar en lo posible la configuración experimental. Otra basada en un análisis detallado de las propiedades de la matriz que caracteriza un SEA y que conduce a la propuesta de un método para su determinación robusta, basada en un filtrado de Montecarlo y que, además, muestra cómo los problemas numéricos de la matriz SEA pueden no ser tan insalvables como se apunta en la literatura. Por último, además, se plantea una solución al caso en el que no todos los subsistemas en los que se divide el sistema puedan ser excitados. El método propuesto aquí no permite obtener el conjunto completo de coeficientes necesarios para definir un sistema, pero el solo hecho de poder obtener conjuntos parciales ya es un avance importante y, sobre todo, abre la puerta al desarrollo de métodos que permitan relajar de forma importante las exigencias que la determinación experimental de matrices SEA tiene. ABSTRACT At present there is an agreement about the importance to predict the vibroacoustic response of structures (buildings, vehicles, aircrafts, satellites, etc.). In addition, there has become clear over the time that the frequency range over which the response is important has been shift to higher frequencies in almost all the engineering fields. As a consequence, the numerical methods for high frequency analysis have increase in importance. One the most widespread methods for this type of analysis is the one based on the Statistical Energy Analysis, SEA. This method has shown to provide a good balance among calculation power, accuracy and liability. Within a SEA, a system (structure, cavities, surrounding air) is modeled by a coefficients matrix that depends directly on the loss factors of the different parts of the system. Formally, SEA is a very handy and intuitive analysis method whose greatest handicap is precisely the determination of the loss factors. The existing set of analytical or numerical equations to obtain the loss factor values is not enough, so that usually it is necessary to use experimental techniques whether it is to its determination to to check the estimated values by another mean. The experimental determination presents drawbacks, as well. To obtain them great and complex experimental setups are needed including requirements that can be very demanding including numerical problems related to the values of the loss factors themselves, their relative value and the characteristics of the matrices they define. The present work studies the characterization of vibroacousti systems by this SEA method. It focuses on the accurate determination of the loss factors values. Given all the problems an experimental setup of these characteristics can show, the work is divided in two parts. In the first part, the influence of all the quantities involved on the determination of the loss factors is studied by a relative uncertainty estimation, which, by means of the normalised sensitivity coefficients, will provide an insight about the importance of every input quantities (energies and input powers, mainly) on the final result. Besides, this part, gives an uncertainty model that has allowed assessing the error of one of the methods more widely used to characterize the loss factors: the 2-subsystem approach. In the second part, use of the former conclusions is used. An equation for the input power into the subsystems is proposed. This equation allows simplifying the experimental setup without changing the liability of the test. A detailed study of the SEA matrix properties leads to propose a robust determination method of this SEA matrix by a Monte Carlo filtering. In turn, this new method shows how the numerical problems of the SEA matrix can be overcome Finally, a solution is proposed for the case where not all the subsystems are excited. The method proposed do not allows obtaining the whole set of coefficients of the SEA matrix, but the simple fact of getting partial sets of loss factors is a significant advance and, over all, it opens the door to the development of new methods that loosen the requirements that an experimental determination of a SEA matrix have.

Efficiency of hysteresis rods in small spacecraft attitude stabilization

A semiempirical method for predicting the damping efficiency of hysteresis rods on-board small satellites is presented. It is based on the evaluation of dissipating energy variation of different ferromagnetic materials for two different rod shapes: thin film and circular cross-section rods, as a function of their elongation. Based on this formulation, an optimum design considering the size of hysteresis rods, their cross section shape, and layout has been proposed. Finally, the formulation developed was applied to the case of four existing small satellites, whose corresponding in-flight data are published. A good agreement between the estimated rotational speed decay time and the in-flight data has been observed.

Métodos diferenciales e interferométricos para la evaluación de deformaciones de la corteza terrestre mediante técnicas GNSS e InSAR = Differential and interferometric methods for evaluation of crustal deformation using GNSS and InSAR techniques

La actividad volcánica interviene en multitud de facetas de la propia actividad humana, no siempre negativas. Sin embargo, son más los motivos de peligrosidad y riesgo que incitan al estudio de la actividad volcánica. Existen razones de seguridad que inciden en el mantenimiento del seguimiento y monitorización de la actividad volcánica para garantizar la vida y la seguridad de los asentamientos antrópicos en las proximidades de los edificios volcánicos. En esta tesis se define e implementa un sistema de monitorización de movimientos de la corteza en las islas de Tenerife y La Palma, donde el impacto social que representa un aumento o variación de la actividad volcánica en las islas es muy severo. Aparte de la alta densidad demográfica del Archipiélago, esta población aumenta significativamente, en diferentes periodos a lo largo del año, debido a la actividad turística que representa la mayor fuente de ingresos de las islas. La población y los centros turísticos se diseminan predominantemente a lo largo de las costas y también a lo largo de los flancos de los edificios volcánicos. Quizá el mantenimiento de estas estructuras sociales y socio-económicas son los motivos más importantes que justifican una monitorización de la actividad volcánica en las Islas Canarias. Recientemente se ha venido trabajando cada vez más en el intento de predecir la actividad volcánica utilizando los nuevos sistemas de monitorización geodésica, puesto que la actividad volcánica se manifiesta anteriormente por deformación de la corteza terrestre y cambios en la fuerza de la gravedad en la zona donde más tarde se registran eventos volcánicos. Los nuevos dispositivos y sensores que se han desarrollado en los últimos años en materias como la geodesia, la observación de la Tierra desde el espacio y el posicionamiento por satélite, han permitido observar y medir tanto la deformación producida en el terreno como los cambios de la fuerza de la gravedad antes, durante y posteriormente a los eventos volcánicos que se producen. Estos nuevos dispositivos y sensores han cambiado las técnicas o metodologías geodésicas que se venían utilizando hasta la aparición de los mismos, renovando métodos clásicos y desarrollando otros nuevos que ya se están afianzando como metodologías probadas y reconocidas para ser usadas en la monitorización volcánica. Desde finales de la década de los noventa del siglo pasado se han venido desarrollando en las Islas Canarias varios proyectos que han tenido como objetivos principales el desarrollo de nuevas técnicas de observación y monitorización por un lado y el diseño de una metodología de monitorización volcánica adecuada, por otro. Se presenta aquí el estudio y desarrollo de técnicas GNSS para la monitorización de deformaciones corticales y su campo de velocidades para las islas de Tenerife y La Palma. En su implementación, se ha tenido en cuenta el uso de la infraestructura geodésica y de monitorización existente en el archipiélago a fin de optimizar costes, además de complementarla con nuevas estaciones para dar una cobertura total a las dos islas. Los resultados obtenidos en los proyectos, que se describen en esta memoria, han dado nuevas perspectivas en la monitorización geodésica de la actividad volcánica y nuevas zonas de interés que anteriormente no se conocían en el entorno de las Islas Canarias. Se ha tenido especial cuidado en el tratamiento y propagación de los errores durante todo el proceso de observación, medida y proceso de los datos registrados, todo ello en aras de cuantificar el grado de fiabilidad de los resultados obtenidos. También en este sentido, los resultados obtenidos han sido verificados con otros procedentes de sistemas de observación radar de satélite, incorporando además a este estudio las implicaciones que el uso conjunto de tecnologías radar y GNSS tendrán en un futuro en la monitorización de deformaciones de la corteza terrestre. ABSTRACT Volcanic activity occurs in many aspects of human activity, and not always in a negative manner. Nonetheless, research into volcanic activity is more likely to be motivated by its danger and risk. There are security reasons that influence the monitoring of volcanic activity in order to guarantee the life and safety of human settlements near volcanic edifices. This thesis defines and implements a monitoring system of movements in the Earth’s crust in the islands of Tenerife and La Palma, where the social impact of an increase (or variation) of volcanic activity is very severe. Aside from the high demographic density of the archipelago, the population increases significantly in different periods throughout the year due to tourism, which represents a major source of revenue for the islands. The population and the tourist centres are mainly spread along the coasts and also along the flanks of the volcanic edifices. Perhaps the preservation of these social and socio-economic structures is the most important reason that justifies monitoring volcanic activity in the Canary Islands. Recently more and more work has been done with the intention of predicting volcanic activity, using new geodesic monitoring systems, since volcanic activity is evident prior to eruption because of a deformation of the Earth’s crust and changes in the force of gravity in the zone where volcanic events will later be recorded. The new devices and sensors that have been developed in recent years in areas such as geodesy, the observation of the Earth from space, and satellite positioning have allowed us to observe and measure the deformation produced in the Earth as well as the changes in the force of gravity before, during, and after the volcanic events occur. The new devices and sensors have changed the geodetic techniques and methodologies that were used previously. The classic methods have been renovated and other newer ones developed that are now vouched for as proven recognised methodologies to be used for volcanic monitoring. Since the end of the 1990s, in the Canary Islands various projects have been developed whose principal aim has been the development of new observation and monitoring techniques on the one hand, and the design of an appropriate volcanic monitoring methodology on the other. The study and development of GNSS techniques for the monitoring of crustal deformations and their velocity field is presented here. To carry out the study, the use of geodetic infrastructure and existing monitoring in the archipelago have been taken into account in order to optimise costs, besides complementing it with new stations for total coverage on both islands. The results obtained in the projects, which are described below, have produced new perspectives in the geodetic monitoring of volcanic activity and new zones of interest which previously were unknown in the environment of the Canary Islands. Special care has been taken with the treatment and propagation of errors during the entire process of observing, measuring, and processing the recorded data. All of this was done in order to quantify the degree of trustworthiness of the results obtained. Also in this sense, the results obtained have been verified with others from satellite radar observation systems, incorporating as well in this study the implications that the joint use of radar technologies and GNSS will have for the future of monitoring deformations in the Earth’s crust.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.

Nonlinear analysis of a simple model of temperature evolution in a satellite

We analyze a simple model of the heat transfer to and from a small satellite orbiting round a solar system planet. Our approach considers the satellite isothermal, with external heat input from the environment and from internal energy dissipation, and output to the environment as black-body radiation. The resulting nonlinear ordinary differential equation for the satellite’s temperature is analyzed by qualitative, perturbation and numerical methods, which prove that the temperature approaches a periodic pattern (attracting limit cycle). This approach can occur in two ways, according to the values of the parameters: (i) a slow decay towards the limit cycle over a time longer than the period, or (ii) a fast decay towards the limit cycle over a time shorter than the period. In the first case, an exactly soluble average equation is valid. We discuss the consequences of our model for the thermal stability of satellites.

Rapid method for spacecraft sizing

In this paper, a rapid method for spacecraft sizing is presented. This method is useful in both the conceptual and preliminary design phases of scientific and communication satellites. The aim of this method is to provide a sizing procedure similar to the ones used in the design of aircraft; actually by determining the mass of all the spacecraft subsystems. In the Introduction, the importance of an accurate initial mass budget in the design of satellites is emphasized. Literature about this topic is not very extensive and most of the existing methods have been recapitulated. The methodology followed in the proposed procedure for spacecraft mass sizing is based on these methods. Data from 26 existing satellites have been considered to obtain correlations between each subsystem mass and the mass of the whole spacecraft.

Sistemas de comunicación por satélite: utilización en los sistemas de navegación aeronáuticos

Este Proyecto Fin de Carrera tiene como principal objetivo analizar la evolución de los Sistemas de Comunicación por Satélite, así como dar a conocer al lector la tecnología EGNOS y su aplicabilidad como ayuda a la navegación Aeronáutica. Este trabajo comenzará con una primera parte, la cual está dedicada a conocer qué es un satélite y como ha sido su evolución a lo largo de la historia, desde la aparición del primer satélite hasta nuestros días, así como mostrar las partes que lo componen y su proceso de lanzamiento. Todo este capítulo, sirve de base para poder entender mejor las siguientes partes del proyecto. En la segunda parte de esta memoria, se entra más en detalle y se desarrollan los temas principales de este documento. Podríamos decir que este segundo capítulo se divide a su vez en dos subpartes claramente diferenciadas: En la primera, se analiza la estructura de un sistema de comunicaciones por satélite, los diferentes tipos de satélites según su órbita o según su finalidad, viendo unos claros ejemplos de cada uno de ellos, así como las bandas de frecuencias en las que trabajan. Para concluir esta sección se habla de los diferentes tipos de servicios que ofrecen las comunicaciones por satélite para centrarnos más adelante en los servicios aeronáuticos. En la segunda parte, se habla de la aplicación de la tecnología EGNOS como ayuda a la navegación aeronáutica. Para ello, primero se explican los diferentes sistemas de navegación que usan las aeronaves, entre los que se encuentran los sistemas VOR, DME, ADF y TACAN, y después se introduce al usuario a la tecnología EGNOS, viendo su arquitectura y explicando su funcionamiento. Como ejemplo de aplicabilidad de esta tecnología se explica el novedoso sistema SLS que llevan las aeronaves. Toda esta segunda parte constituye el cuerpo del proyecto y el punto más importante de esta memoria. Para finalizar, en la última parte del Proyecto Fin de Carrera, se habla del presente y futuro del sistema EGNOS evaluando sus principales ventajas y las conclusiones que se han sacado al hacer esta memoria. ABSTRACT. This thesis has as main objective to analyze the evolution of satellite communication systems, as well as to inform the reader about EGNOS technology and its applicability as an aid to aeronautical navigation. This document will begin with a first part, which is dedicated to know what a satellite is and how has its evolution been throughout history, from the appearance of the first satellite until nowadays, as well as showing the parts that it is composed of and different launch processes. This chapter serves as a base to a better understanding of these parts of the project. In the second part of this report, more detail is introduced and it is developed the main themes of this document. We could say that this second chapter is divided in two clearly differentiated subparts: The first, analyzes the structure of a communications system by satellite, different types of satellites according to its orbit or according to their purpose, seeing some clear examples of each of them, as well as the frequency bands in which they work. To conclude, this section refers to different types of services offered by satellite communications to focus later in the aeronautical services. In the second part, application of EGNOS technology is referred as an aid to the aeronautical navigation. To do this, first they are explained the different navigation systems that the aircraft uses, which include VOR, DME, ADF and TACAN systems, and then EGNOS technology is introduced to the user, seeing its architecture and explaining its operation. As an example of applicability of this technology, the new system SLS carried by the aircraft is explained. Throughout this second part it is constituted the body of the project and the most important point of this report. Finally, in the last part of the thesis, the present and future of the EGNOS system are analyzed evaluating the main advantages and conclusions that have been obtained to make this memory.

Analysis of six prophages in Lactococcus lactis IL1403: different genetic structure of temperate and virulent phage populations

We report the genetic organisation of six prophages present in the genome of Lactococcus lactis IL1403. The three larger prophages (36–42 kb), belong to the already described P335 group of temperate phages, whereas the three smaller ones (13–15 kb) are most probably satellites relying on helper phage(s) for multiplication. These data give a new insight into the genetic structure of lactococcal phage populations. P335 temperate phages have variable genomes, sharing homology over only 10–33% of their length. In contrast, virulent phages have highly similar genomes sharing homology over >90% of their length. Further analysis of genetic structure in all known groups of phages active on other bacterial hosts such as Escherichia coli, Bacillus subtilis, Mycobacterium and Streptococcus thermophilus confirmed the existence of two types of genetic structure related to the phage way of life. This might reflect different intensities of horizontal DNA exchange: low among purely virulent phages and high among temperate phages and their lytic homologues. We suggest that the constraints on genetic exchange among purely virulent phages reflect their optimal genetic organisation, adapted to a more specialised and extreme form of parasitism than temperate/lytic phages.

Steric and mass-induced sea level variations in the Mediterranean Sea revisited

The total sea level variation (SLV) is the combination of steric and mass␣induced SLV, whose exact shares are key to understanding the oceanic response to climate system changes. Total SLV can be observed by radar altimetry satellites such as TOPEX/POSEIDON and Jason 1/2. The steric SLV can be computed through temperature and salinity profiles from in situ measurements or from ocean general circulation models (OGCM), which can assimilate the said observations. The mass-induced SLV can be estimated from its time-variable gravity (TVG) signals. We revisit this problem in the Mediterranean Sea estimating the observed, steric, and mass-induced SLV, for the latter we analyze the latest TVG data set from the GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) satellite mission launched in 2002, which is 3.5 times longer than in previous studies, with the application of a two-stage anisotropic filter to reduce the noise in high-degree and -order spherical harmonic coefficients. We confirm that the intra-annual total SLV are only produced by water mass changes, a fact explained in the literature as a result of the wind field around the Gibraltar Strait. The steric SLV estimated from the residual of “altimetry minus GRACE” agrees in phase with that estimated from OGCMs and in situ measurements, although showing a higher amplitude. The net water fluxes through both the straits of Gibraltar and Sicily have also been estimated accordingly.

A strongly magnetized pulsar within the grasp of the milky way’s supermassive black hole

The center of our Galaxy hosts a supermassive black hole, Sagittarius (Sgr) A∗. Young, massive stars within 0.5 pc of Sgr A∗ are evidence of an episode of intense star formation near the black hole a few million years ago, which might have left behind a young neutron star traveling deep into Sgr A∗’s gravitational potential. On 2013 April 25, a short X-ray burst was observed from the direction of the Galactic center. With a series of observations with the Chandra and the Swift satellites, we pinpoint the associated magnetar at an angular distance of 2.4±0.3 arcsec from Sgr A∗, and refine the source spin period and its derivative (P = 3.7635537(2) s and ˙ P = 6.61(4) × 10−12 s s−1), confirmed by quasi simultaneous radio observations performed with the Green Bank Telescope and Parkes Radio Telescope, which also constrain a dispersion measure of DM = 1750 ± 50 pc cm−3, the highest ever observed for a radio pulsar. We have found that this X-ray source is a young magnetar at ≈0.07–2 pc from Sgr A∗. Simulations of its possible motion around Sgr A∗ show that it is likely (∼90% probability) in a bound orbit around the black hole. The radiation front produced by the past activity from the magnetar passing through the molecular clouds surrounding the Galactic center region might be responsible for a large fraction of the light echoes observed in the Fe fluorescence features.