Analisi preliminare di missione per lanci aviotrasportati di microsatelliti

Il presente lavoro di tesi si propone di analizzare e dimensionare una missione in orbita bassa per due microsatelliti di osservazione terrestre. I microsatelliti si stanno attualmente diffondendo su larga scala, grazie principalmente ai vantaggi economici garantiti dal fatto di lavorare con masse ridotte. Parallelamente alla diffusione dei microsatelliti, stanno nascendo numerosi progetti per lo sviluppo di sistemi di aviolancio, che consentono di attuare i vantaggi dei microsatelliti anche nella fase più dispendiosa della missione, cioè la messa in orbita. Vengono, inizialmente, introdotti i sistemi coinvolti nella missione, cioè l’aviolanciatore Pegasus XL, due microsatelliti del peso di 100 kg ciascuno, e un motore elettrico ad effetto Hall per ciascun satellite, usato per il trasferimento orbitale. Si introducono poi brevemente le equazioni del moto del razzo e alcuni cenni di meccanica celeste, specialmente quello che riguarda la definizione dei parametri orbitali. Segue la vera e propria analisi di missione, divisa in due parti: la prima relativa alla fase di aviolancio, con l’obbiettivo di stabilire se effettivamente il lanciatore è in grado di portare il payload prestabilito nell’orbita circolare di parcheggio, e di dimensionare alcune variabili di volo, quali l’angolo di traiettoria iniziale e i due tempi di coasting dovuti allo sgancio degli stadi del razzo; la seconda parte verte invece sull’analisi della missione in orbita, specialmente sul trasferimento a bassa spinta dall’orbita di partenza a quella target, tramite il motore ad effetto Hall. Anche in questo caso si vuole verificare se le prestazioni del motore elettrico sono adeguate al tipo di missione.

Struttura di popolazione in gamberi aristeidi (Decapoda, Aristeidae) nel Mediterraneo occidentale mediante l'utilizzo di loci microsatelliti

Il lavoro svolto durante il dottorato di ricerca ha permesso lo sviluppo e la verifica della attendibilità di marcatori molecolari neutrali (loci microsatelliti) specifici per Aristeus antennatus. Tali marcatori sono stati poi utilizzati per studiare la struttura genetica di popolazione della specie del Mediterraneo occidentale e i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli di un progetto di ricerca parallelo su Aristeaomorpha foliacea, analizzando differenze ed analogie fra le due specie. I risultati delle analisi su Aristeus antennatus hanno evidenziato una completa assenza di struttura di popolazione e come i due sessi contribuiscano in modo diverso al flusso genico. La specie infatti presenta un sex-ratio a favore dei maschi oltre gli 800m, mentre tale rappoorto è a favore delle femmine in strati più superficiali, dove sono probabilmente soggette a condizioni oceanografiche più dispersive. Tramite test genetici appropriati è stato possibile valutare indirettamente il grado di dospersione dei sessi dimostrando che nell'area analizzati i maschi erano rappresentati maggiormente da individui stanziali, mentre gli individui di sesso femminile erano migranti. Le femmine appaiono pertanto giocare un ruolo preminente rispetto ai maschi nel determinare l'entità del flusso genico. Il confronto dei risultati ottenuti in Aristeus antennatus con quelli di Aristaeomorpha foliacea ha evidenziato la relazione fra alta capacità dispersiva, sia allo stato larvale che adulto, e completo rimescolamento genetico nei gamberi aristeidi nel Mediterraneo occidentale anche se in quest'ultima specie non ci sono evidenze di dispersione genetica mediata dal sesso. E' pertanto di forte interesse (dato anche il valore economico di questi organismi) come una struttura di popolazione qualitativamente e quantitavamente comporabile venga raggiunta con dinamiche di popolazione molto diverse.

Sviluppo di un sistema miniaturizzato per il controllo real-time di assetto di nano e microsatelliti

Microsatelliti e nanosatelliti, come ad esempio i Cubesat, sono carenti di sistemi integrati di controllo d’assetto e di manovra orbitale. Lo scopo di questa tesi è stato quello di realizzare un sistema compatibile con Cubesat di una unità, completo di attuatori magnetici e attuatori meccanici, comprendente tutti i sensori e l’elettronica necessaria per il suo funzionamento, creando un dispositivo totalmente indipendente dal veicolo su cui è installato, capace di funzionare sia autonomamente che ricevendo comandi da terra. Nella tesi sono descritte le campagne di simulazioni numeriche effettuate per validare le scelte tecnologiche effettuate, le fasi di sviluppo dell’elettronica e della meccanica, i test sui prototipi realizzati e il funzionamento del sistema finale. Una integrazione così estrema dei componenti può implicare delle interferenze tra un dispositivo e l’altro, come nel caso dei magnetotorquer e dei magnetometri. Sono stati quindi studiati e valutati gli effetti della loro interazione, verificandone l’entità e la validità del progetto. Poiché i componenti utilizzati sono tutti di basso costo e di derivazione terrestre, è stata effettuata una breve introduzione teorica agli effetti dell’ambiente spaziale sull’elettronica, per poi descrivere un sistema fault-tolerant basato su nuove teorie costruttive. Questo sistema è stato realizzato e testato, verificando così la possibilità di realizzare un controller affidabile e resistente all’ambiente spaziale per il sistema di controllo d’assetto. Sono state infine analizzate alcune possibili versioni avanzate del sistema, delineandone i principali aspetti progettuali, come ad esempio l’integrazione di GPS e l’implementazione di funzioni di determinazione d’assetto sfruttando i sensori presenti a bordo.

Sistemi sperimentali per la determinazione del centro di massa di microsatelliti

Il lavoro di tesi svolto si colloca nell’ambito dei sistemi di determinazione del centro di massa di una specifica classe di satelliti definiti, in gergo, microsatelliti. Il metodo concepito è basato su un simulatore di calcolo del centro di gravità, implementato in ambiente MATLAB. Attraverso l’astrazione matematica del modello fisico, di cui si propone un primo concept anch’esso modellato mediante software CAD durante lo svolgimento della tesi, è possibile determinare il centro di massa del corpo in esame. Esso è stato definito come il punto medio del segmento di minima distanza tra due particolari rette. Gli obiettivi fissati presupponevano che tale dispositivo avesse una buona affidabilità, risultasse di semplice realizzazione e di facile utilizzo.

Sviluppo di un tool per lo studio di configurazioni architetturali nell'ambito di un simulatore orbitale e di assetto per microsatelliti

La realizzazione della componentistica satellitare è una disciplina innovativa e sempre in aggiornamento, capitanata dall’obiettivo di minimizzare il peso e il volume delle componenti e concretizzare così missioni satellitari affidabili ma sempre più economiche. Questo lavoro di tesi viene svolto nell’ambito di strumenti per la simulazione di sistemi di controllo di assetto di un satellite in orbita bassa terrestre. Il lavoro è volto ad ottenere uno strumento per compiere studi preliminari di missioni di microsatelliti, che sia dotato della possibilità di scegliere più combinazioni di attuatori e sensori e che permetta di valutare la bontà e i vantaggi derivanti dalla scelta di tali configurazioni scelte. Il punto di partenza è stato un simulatore realizzato in ambiente Matlab/Simulink per il monitoraggio di uno specifico microsatellite, ALMASat-1 dell’Università di Bologna. Vi sono stati aggiunti dei tools allo scopo di aggiornare il simulatore a nuove tecnologie e di consentire di realizzare diverse combinazioni di determinazione e controllo in assetto. Si presenterà inizialmente l’interfaccia grafica realizzata per facilitare l’utilizzo del simulatore e si mostreranno successivamente le modifiche apportate in concomitanza con l’aggiornamento del simulatore. Tra le innovazioni applicate al simulatore si annoverano la possibilità di far iniziare la simulazione in precisi stadi di assetto, permettendo all’utente di discriminare solo le fasi ad egli utili, e il miglioramento del sistema di determinazione dell’assetto, compiuto aggiungendo al sistema un simulatore di sensore di stelle, il più accurato tra tutti i sensori e il cui utilizzo, tipicamente riservato a missioni ad elevato budget, si è reso recentemente compatibile, in termini di dimensioni peso e costi, anche a piattaforme satellitari di dimensioni ridotte. Per entrambi gli aspetti verranno mostrate le rispettive modalità di realizzazione, ponendo particolare attenzione all’analisi posta per l’implementazione di uno strumento di misura. Infine sarà presente una discussione sui vantaggi offerti dal simulatore rinnovato.

Analisi di paternità sulla specie Anguilla anguilla con l'utilizzo di marcatori loci microsatelliti

L’anguilla europea, Anguilla anguilla, è una specie gravemente minacciata, sia da impatti diretti legati al sovrasfruttamento della specie a tutti gli stadi del ciclo vitale, che indiretti come l’urbanizzazione costiera e la perdita di habitat lagunari. Negli ultimi 45 anni è stata documentata una riduzione del tasso di reclutamento di anguilla europea del 90%. Lo scopo di questo studio è stato approfondire le modalità riproduttive di A. anguilla per via indiretta, attraverso un’analisi di paternità. Il Centro di ricerca universitario di Cesenatico (Laboratori di Acquacoltura ed Igiene delle Produzioni Ittiche – Università di Bologna) ha avviato le prime sperimentazioni su A. anguilla, al fine di mettere a punto un protocollo di riproduzione artificiale. Nell’estate 2015 i ricercatori hanno ottenuto sette riproduzioni spontanee in ambiente controllato, da queste sono state campionate casualmente e genotipizzate circa 40 larve per ogni mandata riproduttiva e i relativi riproduttori per condurre l’analisi di paternità. In ogni riproduzione è stata utilizzata sempre e soltanto una femmina e tre o quattro maschi; le analisi genetiche, condotte utilizzando 9 loci microsatelliti, si sono focalizzate sull’individuazione dei padri e l’assegnamento di paternità è avvenuto con un livello di confidenza medio dell’89%. Dalle analisi effettuate è emerso che: 1) i maschi di questa specie, precedentemente sottoposti a stimolazioni ormonali per indurne la riproduzione e la fertilità, sono in grado di partecipare con successo a più di una riproduzione; 2) più esemplari riescono a fecondare gli ovociti di una sola femmina e sembrano stabilirsi modelli gerarchici di dominanza in quanto si è osservato generalmente che un maschio prevale sugli altri, generando da solo più del 50% della prole. Questo studio pilota rappresenta, quindi, un punto di partenza per approfondimenti futuri sulle modalità riproduttive dell’anguilla europea.

Molecular markers for the assessment of genetic variability in threatened plant species

La variabilità genetica è un importante strumento per lo studio e la conservazione della biodiversità in specie rare e minacciate di estinzione. Durante il mio dottorato mi sono quindi occupata di mettere a punto diverse metodologie molecolari al fine di valutare la diversità genetica in due specie rare della flora italiana che presentano problematiche diverse e specifiche. I marcatori arbitrari RAPD e i marcatori semi-arbitrari ISSR sono stati utilizzati per valutare la diversità genetica in Quercus crenata Lam. e per confermare l’ipotesi della sua origine ibridogena dalle due specie presunte parentali Quercus cerris L. e Quercus suber L., essendo Q. crenata presente in Italia settentrionale dove Q. suber è attualmente assente. I marcatori SSR o microsatelliti sono invece stati messi a punto su una specie a rischio di estinzione, endemica dell’Appennino Tosco-Emiliano, Primula apennina Widmer, applicando una metodologia specifica, basata sulla costruzione di una libreria genomica arricchita per l’isolamento di primer specifici. I marcatori RAPD e ISSR, utilizzati su un totale di 85 campioni, hanno mostrato alti livelli di diversità molecolare entro le specie studiate, eccetto per Q. suber le cui popolazioni rappresentano il margine orientale di distribuzione della specie, per questo più sottoposte ad impoverimento genetico. Oltre alla cluster analysis (UPGMA) e alla Analisi delle Componenti Principali effettuate per entrambi i marcatori, che confermano l’ipotesi dell’origine ibrida degli individui di Q. crenata diffusi in Italia Settentrionale, sono stati calcolati l’indice di ibridità basato sul maximum likelihood, che dimostra una introgressione asimmetrica di Q. crenata verso il parentale caratterizzato da superiorità demografica (Q. cerris) e il test di Mantel. Quest’ultimo ha permesso di confrontare i due marcatori RAPD e ISSR utilizzati ottenendo una bassa correlazione, a conferma del fatto che, amplificando tratti differenti del DNA nucleare, i dati non sono sovrapponibili, sebbene forniscano risultati analoghi. Per l’isolamento di loci microsatelliti ipervariabili ho utilizzato il protocolllo FIASCO (Fast isolation by AFLP of sequences containing repeats- Zane et al. 2002) che permette di costruire una libreria genomica arricchita partendo dal DNA estratto da P. apennina. Tale procedura ha previsto la digestione del DNA genomico per la produzione di una miscela di frammenti di DNA. Tramite ibridazione con opportune sonde sono stati isolati i frammenti contenenti i microsatelliti. Sequenziando i cloni ricombinanti, ho ottenuto sequenze contenenti repeats sulle cui regioni fiancheggianti sono stati costruiti 15 coppie di primer che potranno, in seguito, essere utilizzate per definire la quota di riproduzione clonale in P. apennina e per valutare la diversità genetica delle popolazioni che coprono l’areale di distribuzione della specie. Data la loro natura altamente variabile e la loro abbondanza nel DNA, gli SSR saranno, come i marcatori RAPD e gli ISSR, ugualmente validi per lo studio della variabilità genetica e per l’analisi di problematiche specifiche legate alle specie rare.

Il genere Rhododendron L.: diversità genetica e fenomeni di ibridazione.

La terra, nel corso della sua storia, ha subito molteplici cambiamenti con la comparsa e scomparsa di numerose specie animali e vegetali. Attualmente, l’estinzioni delle specie, la riduzione degli areali e il depauperamento degli ecosistemi è da ricollegare alle attività dell’uomo. Per tali motivi, in questi ultimi decenni si è iniziato a dare importanza alla conservazione della biodiversità, alla creazione di zone protette e a sviluppare interventi di reintroduzione e rafforzamento di specie rare e a rischio di estinzione. Questo lavoro di tesi si propone di analizzare la variabilità genetica delle popolazioni di Rhododendron ferrugineum L. lungo il suo areale, con particolare attenzione alle aree marginali dell’Appennino, dove la specie rappresenta un caso di pseudo rarità, al fine di valutare lo stato di salute della specie al limite del suo areale e valutare appropriati interventi di conservazione o reintroduzione. Per effettuare le analisi sono stati messi a punto dei marcatori molecolari discontinui, i microsatelliti, che, essendo dei marcatori co-dominati, permettono di valutare differenti parametri legati alla diversità genetica delle popolazioni inclusi i livelli di eterozigotà ed il flusso genico tra popolazioni limitrofe. I campionamenti sono stati effettuati nelle uniche 3 stazioni presenti sugli Appennini. Al fine di confrontare la struttura genetica di queste popolazioni sono state considerate anche popolazioni delle Alpi Marittime, delle Alpi centro-orientali e dei Pirenei. L’analisi della diversità genetica effettuata su questo pool di popolazioni analizzate con 7 marcatori microsatelliti, ha messo in evidenza che le popolazioni relitte dell’Appennino Tosco-Emiliano presentano un ridotto livello di eterozigosità che suggerisce quindi un elevato livello di inbreeding. Si ritiene che ciò sia dovuto alla loro dislocazione sul territorio, che le rende isolate sia tra di loro che dalle popolazioni delle vicine Alpi Marittime. La stima delle relazioni genetiche tra le popolazioni appenniniche e le vicine piante alpine evidenzia come non vi sia scambio genetico tra le popolazioni. Le analisi dei cluster suggeriscono che due delle popolazioni Appenniniche siano più simili alle popolazioni della Alpi Marittime, mentre la terza ha più affinità con le popolazioni delle Alpi centro-orientali. Le popolazioni dei Pirenei risultano essere geneticamente più simili alle popolazioni delle Alpi Marittime, in particolare alle tre popolazioni del versante francese. In questo lavoro abbiamo affrontato anche il problema delle specie ibride. Rhododendron x intermedium Tausch è un ibrido frutto dell’incrocio tra Rhododendron ferrugineum L. e Rhododendron hirsutum L., in grado di incrociarsi sia con altri ibridi, sia con i parentali (fenomeno dell’introgressione). L’origine di questo ibrido risiede nella simpatria delle due specie parentali, che tuttavia, presentano esigenze ecologiche differenti. Ad oggi la presenza di Rhododendron x intermedium è stata accertata in almeno tre stazioni sulle Alpi Italiane, ma la letteratura documenta la sua presenza anche in altre zone dell’Arco Alpino. L’obiettivo di questa ricerca è stato quello di verificare la reale natura ibrida di Rhododendron x intermedium in queste stazioni utilizzando un approccio integrato ossia sia attraverso un’analisi di tipo morfologico sia attraverso un analisi di tipo molecolare. In particolare l’approccio molecolare ha previsto prima un’analisi filogenetica attraverso l’utilizzo di marcatori molecolari filogenetici nucleari e plastidiali (ITS, At103, psbA-trnH e matK) e quindi un’analisi della struttura delle popolazioni della specie ibrida attraverso l’utilizzo di marcatori molecolari microsatelliti. Da un’analisi morfologica, risulta che gli esemplari ibridi possono essere molto differenti tra loro e ciò supporta la formazione di sciami ibridi. Al fine di verificare la natura di questa specie e la struttura delle popolazioni ibride e dei rispettivi parentali, sono state campionate differenti popolazioni in tutta l’area di interesse. I campioni ottenuti sono stati quindi analizzati geneticamente mediante marcatori molecolari del DNA. I risultati ottenuti hanno permesso innanzitutto di confermare l’origine ibrida degli individui di prima generazione della specie Rhododendron x intermedium e quindi di distinguere i parentali dagli ibridi ed evidenziare la struttura genetica delle popolazioni ibride.

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

Genetic variability and differentiation in the Mediterranean endemic starry ray Raja asterias (Delaroche, 1809)

The present study deal with the population structure and connectivity of the Mediterranean endemic starry ray Raja asterias (Delaroche, 1809) in the Western and Eastern Mediterranean basin. A panel of eight microsatellite loci which cross-amplify in Rajidae (El Nagar, 2010) was used to assess population connectivity and structure. Those aims were investigated by analyzing the genetic variation of 9 population sample for a total of 185 individuals collected during past scientific surveys (MEDITS, GRUND), commercial trawling and also directly at fish markets. The purpose of this thesis is to estimate the genetic divergence occurring between the Mediterranean populations and, in particular, to assess the presence of any barrier (geographic, hydrogeological and biological) to gene flow for this species. Different statistical approaches were performed to reach this aim evaluating both the genetic diversity (nucleotide diversity, allelic richness, observed and expected heterozygosity and Hardy-Weinberg equilibrium test) and the population differentiation patterns (pairwise Fst estimated and population structure analysis). The results obtained from the analysis of the microsatellite dataset suggest a geographic and genetic separation between the starry ray populations of the Mediterranean basin into three or four distinct groups: Western and Eastern Mediterranean basins and Sicilian coast always clustering as an independent group and Algeria which could be or not considered another separate group. The data were discussed from both an evolutionary and a conservation point of view and in relation to previous results obtained by the analysis of mitochondrial marker. A comparison with other Mediterranean demersal skate species was performed in order to better contextualise our results. Finally, our results could offer useful information to protect vulnerable species as R. asterias and developing effective conservation plans in the Mediterranean.

Genetic and morphological variation and differentiation of Raja clavata populations in the European seas: marker development and preliminary data

In this study the population structure and connectivity of the Mediterranean and Atlantic Raja clavata (L., 1758) were investigated by analyzing the genetic variation of six population samples (N = 144) at seven nuclear microsatellite loci. The genetic dataset was generated by selecting population samples available in the tissue databases of the GenoDREAM laboratory (University of Bologna) and of the Department of Life Sciences and Environment (University of Cagliari), all collected during past scientific surveys (MEDITS, GRUND) from different geographical locations in the Mediterranean basin and North-east Atlantic sea, as North Sea, Sardinian coasts, Tuscany coasts and Cyprus Island. This thesis deals with to estimate the genetic diversity and differentiation among 6 geographical samples, in particular, to assess the presence of any barrier (geographic, hydrogeological or biological) to gene flow evaluating both the genetic diversity (nucleotide diversity, observed and expected heterozygosity, Hardy- Weinberg equilibrium analysis) and population differentiation (Fst estimates, population structure analysis). In addition to molecular analysis, quantitative representation and statistical analysis of morphological individuals shape are performed using geometric morphometrics methods and statistical tests. Geometric coordinates call landmarks are fixed in 158 individuals belonging to two population samples of Raja clavata and in population samples of closely related species, Raja straeleni (cryptic sibling) and Raja asterias, to assess significant morphological differences at multiple taxonomic levels. The results obtained from the analysis of the microsatellite dataset suggested a geographic and genetic separation between populations from Central-Western and Eastern Mediterranean basins. Furthermore, the analysis also showed that there was no separation between geographic samples from North Atlantic Ocean and central-Western Mediterranean, grouping them to a panmictic population. The Landmark-based geometric morphometry method results showed significant differences of body shape able to discriminate taxa at tested levels (from species to populations).