| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| A MODEL FOR THE ESTIMATION OF FREESTREAM WIND SPEEDS AND DIRECTIONS FOR MEDA WIND SENSORS IN NASA-JPL MARS 2020 MISSION | | Autor/a | Martínez Esteve, Gema | | Departamento | Automática | | Director/a | Torres Redondo, Josefina | | Fecha de depósito | 20-10-2026 | | Periodo de exposición pública | 21 de octubre a 4 de noviembre de 2026 | | Fecha de defensa | Sin especificar | | Programa | Investigación espacial y astrobiología (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | El viento es una de las principales variables de interés en los estudios de la atmósfera marciana. El instrumento MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer), a bordo del rover Perseverance de la misión Mars 2020 de la NASA, incluye dos sensores de viento no redundantes basados en anemometría térmica alrededor del mástil del rover. La creciente complejidad y tamaño de las plataformas de rover recientes, junto con las restricciones de diseño y acomodación inherentes a las misiones espaciales, introducen interferencias aerodinámicas inevitables que perturban las medidas locales con respecto al flujo libre.
Esta tesis desarrolla un marco de inferencia del viento de flujo libre que combina una caracterización aerodinámica extendida de la capa límite del rover Perseverance con una arquitectura de redes neuronales en cascada, con el fin de estimar la velocidad y dirección del viento de flujo libre a partir de las medidas locales adquiridas por MEDA. La primera contribución consiste en el desarrollo de una base de datos CFD extendida de las interferencias aerodinámicas del rover sobre los sensores de viento, que cubre todo el rango de incidencias horizontales de 0° a 360° en pasos de 15° y velocidades de viento de flujo libre de 2 m / s a 40 m / s, el rango de operación del instrumento. El conjunto de datos ha sido validado mediante pruebas de independencia de malla, atmosférica y comparación con datos de vuelo de MEDA. A partir del mismo se han identificado tres regiones según el nivel de interferencia aerodinámica: una región de baja interferencia; una región de interferencia media y una región de alta interferencia, centrada en la estela de la geometría trasera, en la que el flujo local se decelera aproximadamente entre un 50 % y un 60 % con respecto al flujo libre.
La segunda contribución consiste en el desarrollo de arquitecturas de redes neuronales en cascada con ensembles que separa el problema de inferencia en dos etapas complementarias, una etapa de clasificación que identifica el sector de incidencia del viento y una etapa de regresión que estima los valores de flujo libre dentro de ese sector, ambas implementadas mediante ensembles de redes perceptrón multicapa especializadas por sector, con la circunferencia dividida en sectores angulares de 30º. En concreto, se han implementado y evaluado tres variantes de la arquitectura: un sistema de votación de expertos, una arquitectura similar con clasificación reforzada que añade un consenso de tres clasificadores ponderados, y una arquitectura de clasificación y regresión reforzadas que incorpora adicionalmente un peso secundario de regresión dependiente del sector. Se han comparado cuatro estrategias de votación (maximum, top-2, top-3 y threshold), y las nueve configuraciones resultantes se han evaluado sobre un conjunto de test CFD.
La configuración que incorpora ambos refuerzos junto con la estrategia de votación threshold presenta el comportamiento global más equilibrado y las métricas de error más bajas, con valores de βRMSE = 2,00° y VRMSE = 1,166 m / s, mientras que el consenso de clasificadores alcanza una precisión de sector del 98 % frente al 96 % del clasificador único de referencia. El algoritmo se aplica a seis subconjuntos de datos de vuelo registrados por MEDA en Marte, obteniendo resultados que confirman que los valores de flujo libre inferidos son consistentes con las interferencias aerodinámicas anticipadas por la caracterización CFD en todo el rango angular, incluida la región de alta interferencia identificada. El marco desarrollado en esta tesis proporciona, por tanto, una herramienta para estimar el viento de flujo libre a lo largo de los primeros 300 soles de la misión. |
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