Multiprocesamiento de señales de radio, una implementación para la DSA 3.

Abstract

Esta tesis contiene los resultados obtenidos en investigaciones llevadas a cabo en el Instituto de Tecnologías en Detección y Astropartículas (ITeDA) utilizando la tercer Antena de Espacio Profundo (Deep Space Antenna 3 o DSA 3) de la Agencia Espacial Europea (European Space Agency o ESA), durante el período comprendido entre 2012 y 2017, bajo la dirección de la Dra. Beatriz García y la co-dirección del Dr. Manuel Platino. Esta tesis requirió de datos observacionales que debieron ser solicitados de manera formal a ESA. A principios de 2016 y durante 2017 se realizaron las observaciones para adquirir los datos necesarios para el desarrollo de la propuesta de trabajo. En el marco del desarrollo de la tesis doctoral, los logros corresponden al análisis de datos observacionales provenientes de la estación terrestre DSA 3 instalada en Mendoza, correspondientes a la emisión en banda X de 8.4 GHz de 3 fuentes astronómicas previamente seleccionadas por tratarse de “calibradoras”. Este análisis de datos está relacionado con el software desarrollado, herramienta que es el núcleo de esta tesis, y que debe aplicarse a las distintas configuraciones disponibles de la antena, para transformar los datos crudos a datos de interés científico. Cabe mencionar que tanto la DSA 3 como sus antenas semejantes (existen otras dos antenas, una en España y otra en Australia) no han sido utilizadas como radiotelescopios de reflector único. Las dificultades que se presentaron durante el desarrollo del trabajo corresponden con la elevada curva de aprendizaje de uso de la DSA 3, la descripción de sus características, así como también qué parámetros deben activarse o desactivarse, qué modo de adquisición y qué estructura de datos se debe utilizar. Así mismo una dificultad crítica presentada fue la necesidad del desarrollo de un intérprete de los datos crudos de la antena, un trabajo intensivo que se pensaba ya resuelto al momento de redactar y presentar el plan de trabajo original. Para poder llevar a cabo el objetivo final planteado primeramente (el estudio de RRATs), fue necesario comenzar el trabajo de tesis en un desarrollo de mucho más bajo nivel, y dejar el estudio de objetos específicos para trabajos futuros. Algunas modificaciones al plan de trabajo planteado debieron ser realizadas, debido a que la antena no posee equipamiento de recepción en Banda L como se esperaba; solo se puede trabajar en banda X y Ka; , siendo necesario el desarrollo de Software de procesamiento (intérprete o traductor de formato) para poder realizar estudios astronómicos como la de dispersión de señales, propuesta original del plan de trabajo. A pesar de haber tenido que modificar levemente el abordaje del problema, lo que no implica un cambio en el uso de tecnologías propuesto, debemos reconocer que la tarea desarrollada durante el periodo de investigación ha representado un aprendizaje mutuo, tanto de quien suscribe, como de los responsables y operadores de la DSA 3. Resumiendo, esta tesis explora el uso de la DSA 3 como instrumento para realizar observaciones de fuentes astronómicas en radiofrecuencia. En el trabajo se detallan las características de la estación terrestre DSA 3, también se evalúa el uso del equipamiento existente en la estación terrestre para realizar la adquisición de la señal de radio proveniente de una fuente astronómica y se evalúa la necesidad de equipamiento adicional y cuáles serían sus características. La tesis describe el método observacional necesario para utilizar la DSA 3 como radiotelescopio de plato único y se detalla el desarrollo del software necesario para adaptar, procesar y convertir los datos obtenidos por la DSA 3 a un producto que sea de utilidad para la comunidad científica. El uso de piezas y plataformas de soluciones comerciales ayudó a reducir el costo y la necesidad de un diseño de hardware personalizado. Los logros alcanzados respecto de la comprensión de los datos, su reducción y manejo con fines científicos, nos permiten pensar que habiendo obtenidos datos de flujo de las fuentes observadas que se corresponden con los datos publicados en la bibliografía, se está en condiciones de ofrecer esta antena para su uso radioastronómico. Es importante destacar que Argentina también puede realizar trabajo científico con la antena de monitoreo para naves espaciales, producida por China e instalada en Neuquén, que presenta las mismas características técnicas y de adquisición que DSA 3, por lo tanto este desarrollo podrá ser adaptado y aplicado más allá del objetivo inicial planteado. Este trabajo es el primer paso para el uso de las antenas de telecomunicaciones instaladas en Argentina con fines radioastronómicos.

This thesis contains results that were obtained in the research carried out at the Institute of Technologies in Detection and Astroparticles (ITeDA) using the third Deep Space Antenna (Deep Space Antenna 3 or DSA 3) of the European Space Agency (ESA). Research made during the period between 2012 and 2017, under the direction of PhD Beatriz García and co-direction of PhD Manuel Platino. This thesis required observational data that were formally requested from ESA. At the beginning of 2016 and during 2017, through observations we acquire the necessary data for the development of the work proposal. In the framework of the development of the doctoral thesis, the achievements correspond to the analysis of observational data from the DSA 3 ground station installed in Mendoza, corresponding to the 8.4 GHz X-band emission of 3 astronomical sources previously selected because they are “calibrators”. This data analysis is related to the software developed; tool that is the core of this thesis, and that should be applied to the different available configurations of the antenna, in order to transform raw data into scientific interest data. It should be mentioned that both, the DSA 3 as its similar antennas, there are two other antennas, one in Spain and one in Australia, do not have been used as single dish radio telescopes. Difficulties that arose during this work development correspond to the high learning curve of the use of DSA 3, the description of its characteristics, as well as what parameters that should be activated or deactivated, what mode of acquisition, and what data structure should be used. Likewise, a critical difficulty presented was the need for the development of an interpreter of raw data of the antenna; an intensive work, thought already solved at the time of writing and presenting the original work plan. In order to achieve the final objective set at first (the study of RRATs), it was necessary to begin the thesis work in a development of much lower level, and leave the study of specific objects for future works. The proposed work plan had some modifications because the antenna does not have L-Band reception equipment as expected, it can work only in X and Ka band. It is necessary the development of Processing Software (interpreter or translator format) to be able to carry out astronomical studies, such as signal dispersion, original proposal work plan. Despite having slightly modifications to approach the problem, which does not imply a change in the use of proposed technologies, we must recognize that the task developed during the investigation period has represented a mutual learning, for the managers and operators of the DSA 3 and for me. In summary, this thesis explores the use of DSA 3 as an instrument to make observations from astronomical sources in radiofrequency. The work details DSA 3 ground station characteristics. We evaluate the use of existing equipment in the ground station to acquire the radio signal from an astronomical source, as well as the need for additional equipment and what would be its characteristics. The thesis describes the observational method necessary to use the DSA 3 as a radio telescope of single plate, and the development of the necessary software to adapt, process, and convert data obtained by DSA 3 to a useful product for scientific community. The use of commercial solution parts and platforms helped reduce the cost and the need for custom hardware design. Achievements regarding the understanding of the data, reduction and management for scientific purposes, allow us to think that having obtained flow data from the observed sources that correspond to the data published in the literature, we are in a position to offer this antenna for radio astronomical use. It is important to note that Argentina can also carry out scientific work with the monitoring antenna for spacecraft, produced by China and installed in Neuquén, which has the same technical and acquisition characteristics as DSA 3; therefore, this development can be adapted and applied beyond the initial objective set. This work is the first step for the use of telecommunications antennas installed in Argentina for radio astronomical purposes.