Contribution to the optimisation of natural disasters monitoring: an on-demand execution strategy approach

Abstract

(English) Natural disasters suppose a risk to life and assets, and can benefit from better early detection and monitoring systems. Current monitoring systems include in-situ instruments located along the Earth's land, such as the coast lines, or in the oceans. However, the monitoring needs are not met with the current solutions, due to the latency when retrieving the data. Other sensors are located in land, the latency may be negligible provided they are connected to terrestrial networks, but the warning is given when the disaster is already happening in populated areas. Aside from in-situ instruments, also satellite Earth Observation (EO) payloads monitor the extent and risk areas affected by natural disasters. These payloads generate large amounts of data, and it is often impossible to download it through a Ground Station, imposing duty cycle limitations in the executions.

The appearance of the 5G paradigm, and the definition of the Non-Terrestrial Networks, has boosted space-to-Earth communications using Internet of Things (IoT) technologies. These systems can contribute to natural disasters early detection and monitoring by placing IoT ground nodes on the Earth's surface, since they are inexpensive to deploy, and can contain different types of sensors depending on the variables to be monitored. Moreover, the ground nodes can provide constant readings, and forward them to a satellite if an anomalous reading is detected, to wake-up the EO payload to perform a continuous monitoring. This paradigm is one of the main contribution of this thesis, called the On-Demand Satellite Payload Execution strategy.

The feasibility of this monitoring paradigm is first analyzed by presenting the monitoring needs, defining the requirements in terms of density of ground nodes, update frequency of the measurements, and types of sensors required. After that, a more in depth work related to IoT space-to-Earth communications is conducted, assuming that the Long Range (LoRa) modulation is used. The physical layer is first studied by computing a link budget, considering different payload architectures, assessing the communication limitations for each of them. Then, the effect that ionosphere scintillation has on the overall throughput is evaluated by a set of tests. Following, the Media Access Control (MAC) layer is studied by identifying the optimum protocols for IoT space-to-Earth communications. Then, the maximum density of ground nodes for each protocol, and for different antenna footprint sizes is computed, based on the monitoring requirements defined previously for natural disasters monitoring. Moreover, a set of proof-of-concept experiments are conducted to simulate the scenarios identified in the MAC layer theoretical study. This encompasses the comparison of two different protocols, identifying the limitations of each one. Finally, the design and software development of a Software Defined Radio (SDR)-based LoRa payload is presented.

Another contribution of this thesis is related to the antenna design for small satellites and CubeSat payloads. Starting with two different antennas used for satellite communications. The first one being an IoT LoRa patch antenna for the RITA payload. Then, the COMET B2 Probe Inter-Satellite Link (ISL) antenna is presented, this study comprises first a sensitivity study based on simulations on the optimum antenna geometry. Then, an additional analysis is done simulating the optimum position of the final Commercial Off The Shelf (COTS) antenna used for the mission. Afterwards, the requirements definition, theoretical design, simulations, prototyping, and flight model testing and results are presented for the 3Cat-4 L-Band Helix Antenna and for the FSSCat Nadir Antenna. Both of this antenna are for a Global Navigation Satellite Systems Reflectometer (GNSS-R) and Microwave Radiometer (MWR) payload. Finally, a sensitivity analysis of the optimal positioning the L5 Nadir Antenna, for a GNSS-R payload is presented.

(Català) Els desastres naturals suposen un risc per a la vida i els actius, i es poden beneficiar de millors sistemes de detecció precoç i seguiment. Els sistemes de monitorització actuals inclouen instruments in-situ situats al llarg de la terra de la Terra, com les línies de costa, o als oceans. Les necessitats de monitorització no es satisfan amb les solucions actuals, a causa de la latència a l'hora de recuperar les dades. Altres sensors es troben a terra, on l'avís es dóna quan el desastre ja s'està produint en zones poblades. A part dels instruments in situ, també les càrregues útils d'observació de la Terra (EO) que controlen l'extensió i les àrees de risc afectades pels desastres naturals. Aquestes càrregues útils generen grans quantitats de dades, i sovint és impossible descarregar-les, imposant limitacions al temps d'execució.

L'aparició del paradigma 5G i la definició de les xarxes no terrestres han potenciat les comunicacions espai-terra mitjançant tecnologies de l'Internet de les coses (IoT). Aquests sistemes poden contribuir a la detecció i monitorització precoç de desastres naturals col·locant nodes IoT a la superfície de la Terra, ja que són econòmics de desplegar i poden contenir diferents tipus de sensors en funció de les variables a controlar. A més, els nodes poden proporcionar lectures constants i reenviar-les a un satèl·lit si es detecta una lectura anòmala, despertant la càrrega útil d'EO per realitzar un seguiment. Aquest paradigma és una de les principals aportacions d'aquesta tesi, anomenada estratègia d'execució de càrrega útil per satèl·lit a la demanda.

La viabilitat d'aquest paradigma s'analitza, en primer lloc, presentant les necessitats de monitorització definint els requisits en termes de densitat de nodes, freqüència d'actualització de les mesures i tipus de sensors necessaris. Després d'això, es realitza un treball més aprofundit relacionat amb les comunicacions IoT espai-terra, suposant que s'utilitza la modulació Long Range (LoRa). La capa física s'estudia primer calculant un balanç d'enllaç, considerant diferents arquitectures de càrrega útil, avaluant les limitacions de comunicació per a cadascuna d'elles. Aleshores, l'efecte que té el centelleig de la ionosfera sobre el rendiment global s'avalua mitjançant un conjunt de proves. A continuació, s'estudia la capa de control d'accés al medi (MAC) identificant els protocols òptims per a les comunicacions espai-terra IoT. Seguit, s'identifica la densitat màxima de nodes terrestres per a cada protocol i per a diferents mides d'empremta d'antena, prenent com a base els requisits de monitorització definits per al monitoratge de desastres naturals. A continuació, s'han realitzat un conjunt d'experiments per simular els escenaris identificats en l'estudi teòric de la capa MAC. Això engloba la comparació de dos protocols diferents, identificant les limitacions de cadascun. A més, es presenta el disseny i el desenvolupament de programari d'una càrrega útil LoRa basada en Software Defined Radio (SDR).

Una altra contribució d'aquesta tesi està relacionada amb el disseny d'antenes per a satèl·lits petits i càrregues útils. Començant amb dues antenes diferents utilitzades per a comunicacions. La primera és una antena patch IoT LoRa, per a la càrrega útil RITA. A continuació, es presenta l'antena COMET B2 Probe Inter-Satellite Link (ISL), aquest estudi comprèn unes simulacions sobre la geometria òptima de l'antena i la posició òptima de l'antena comercial seleccionada per a la missió. A continuació, es presenten la definició de requisits, el disseny teòric, les simulacions, la creació de prototips, les proves de models de vol i els resultats per a l'antena Helix en banda L per al 3Cat-4 i per a l'antena Nadir per FSSCat. Ambdues antenes són per a un reflectòmetre global de sistemes de navegació per satèl·lit (GNSS-R) i un radiòmetre de microones. Finalment, es presenta una anàlisi del posicionament òptim de l'antena L5 Nadir, per a una càrrega útil GNSS-R.