ESTCube-1

Allikas: Vikipeedia
ESTCube-1
Estcube-1 2012-12-27.jpg
ESTCube-1 valmimisjärgus lennumudel esimest korda kokkupandult, ootamas puhastamist ja vibratsiooniteste.
Organisatsioon Tartu Ülikool
Satelliidi platvorm 1U Kuupsatelliit
Kaaslane Maa
Stardikompleks Guajaana kosmodroom Prantsuse Guajaanas Kourous
Kodulehekülg http://www.estcube.eu/
Mass 1,048 kg
Suurused 10×10×11,35 cm
Akud kaks Panasonic CGR18650C liitiumioonakut

ESTCube-1 on Eesti tudengisatelliidi programmi raames ehitatud ja 7. mail 2013[1] Guajaana kosmodroomilt Prantsuse Guajaanas Kourous Euroopa Kosmoseagentuuri kanderaketiga Vega Maa orbiidile viidud tehiskaaslane, Eesti esimene satelliit.[2]

ESTCube-1 on hariduslik koostööprojekt, milles osalevad tudengid ja gümnaasiumiõpilased.[3] Lisaks õppe-eesmärgile on satelliidil ka teaduslik siht – teostada elektrilise päikesepurje esimene katsetus kosmoses. ESTCube-1 projekt on andnud ainet mitmekümnele teadustööle[4]. Rahvusvaheliste partneritena osalevad projektis Soome meteoroloogia instituut, Helsingi Ülikool, Jyväskylä Ülikool, Ida-Soome Ülikool ja Saksa kosmoseagentuur[5].

Tehiskaaslase kavandamisel ja ehitamisel on järgitud kuupsatelliidi standardit (mass kuni 1,3 kg ja mõõtmed 100×100×113,5 mm).[6]

ESTCube-1 orbiidi kõrgus maapinnast on ca 650 kilomeetrit, satelliidi kiirus orbiidil umbes 7,46 km/s.[1]

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kunstniku nägemus Eesti esimesest tudengisatelliidist Maa orbiidil.
Esimene ESTCube-1 poolt kosmoses tehtud foto. Pilt on tehtud 15. mail Horvaatia kohal. Pildil esiplaanil on Vahemeri, kaugemal Tuneesia ja Sahara kõrb.

ESTCube-1 pidi esialgsete plaanide järgi orbiidile viidama 4. mai varahommikul[7], kuid tugeva tuule tõttu lükati kanderaketi start edasi[8]. Kanderakett startis lõpuks 7. mail kell 05:06 (Ida-Euroopa suveaeg, EEST).[1]

ESTCube-1 elutsükkel kosmoses
  • Start 7. mail 2013 kell 05:06:31 (EEST).
  • ESTCube-1 eraldus kanderaketist 2 tundi ja 48 sekundit pärast starti, kell 07:07:19 EEST.
  • Pool tundi pärast stardikapslist eraldumist avati satelliidi antennid, lülitati sisse raadiosaatja ja elektritoite alamsüsteem.
  • ESTCube-1 alustas peale kanderaketist eemaldumist kontrollsignaali edastamist, mida kõigil raadioamatööridel oli võimalik vastu võtta sagedusel 437,250 MHz. Esimesed antennide avamisele järgnevad 48 tundi saatis satelliit ainult telegraafimajakat 3-minutilise intervalliga. Veel enne, kui ESTCube-1 esimest korda Eesti kohale jõudis, võttis signaali vastu raadioamatöör Dmitri Paškov Ruzajevka linnas Mordva Vabariigis Venemaal, kes edastas salvestatud helifaili e-postiga ESTCube-1 meeskonnale.[2] Eesti esimene satelliit oli edukalt käivitunud. Esimene terviklik signaalipakett võeti Tartu observatooriumis Tõraveres asuvas ESTCube-1 juhtimiskeskuses vastu kell 10:30, kui satelliit esmakordselt raadiojaama otsenähtavusse jõudis.[2]
  • Esimesed mõned päevad kuni mõned nädalad kulusid satelliidi testimisele ning täismahus tööle rakendamisele.
  • Esimene foto Maast tehti 15. mail 2013.[9]
  • 2. augustil 2013 möödus kuupsatelliidist ohtlikult lähedalt kosmoseprügi osake NORAD SCC#36441. ESTCube-1 pääses sellest ja veel viiest kokkupõrkeohust.
  • Esimese aastaga tehti satelliidile 20 tarkvarauuendust.
  • Satelliidi orienteerimine selliselt, et pardal olev kaamera vaataks pidevalt Maa suunas, osutus oodatust raskemaks. Trükkplaate koos hoidvad teraspoldid ning akude korpused magneetusid ja mõjutasid vastasmõjus Maa magnetväljaga satelliidi asendit.[10] Kui satelliiti pöörlema sundivad elektromagnetid välja lülitati, käitus satelliit kui kompassinõel ja võttis uuesti algse orientatsiooni.
  • Magnethäiritusega tuldi toime. Orbiidile jõudmise esimeseks aastapäevaks oli juba õnnestunud pildistada Eestit ning satelliit saadi kontrollitult pöörlema augustis 2014. Katsemõõtmistel saadi pöörlemiskiiruseks 841 kraadi sekundis.
  • Päikesepurje elemendi väljakerimise esimene katse tehti 16. septembril 2014. Pärast luku avamist tehtud pardakaamera fotodelt äralendavat kuulikest ei leitud. Ka korduvad katsed mitme nädala kestel ei andnud soovitud tulemust - päikesepurje traati välja kerida ei õnnestunud. Järgneva katsete seeriaga selgitati välja, et traadi väljakerimismootori sisendisse elektriline signaal jõuab, aga väljakerimissüsteem ei pöörle. Ilmselt ei pidanud kas mootor ise, elektrilised kontaktid juhet hoidva pooli ja korpuse vahel või pooli lukustussüsteem stardiaegsele vibratsioonile vastu.

ESTCube-1 teadusprogrammist täideti järgmised etapid[11]:

  • Missiooni tingimustele vastava satelliidi ehitamine.
  • Kvalifikatsioonikatsetuste läbimine.
  • Satelliidi käivitamine kosmoses ja morse koodis majakasignaali saatmine Maale.
  • Kahepoolse raadioside käivitumine.
  • Kaamerasüsteemi töö.
  • Satelliidi orientatsiooni määramine vähemalt 2-kraadise täpsusega.
  • Satelliidi pöörlemapanemine kiirusega vähemalt üks pööre sekundis. Saavutati pöörlemiskiirus 841 kraadi sekundis.
  • Elektronkahuri testimine.
  • Elektrilise päikesepurje juhtme väljakerimissüsteemi katsetamine.

Teadusprogrammist jäi täitmata elektrilise päikesepurje juhtme ja atmosfääriplasma vastasmõju mõõtmine.

Veebruaris 2015 hakkas kuupsatelliidi päikesepatareide tootlikkus sedavõrd langema, et ESTCube-1 saadeti 17. veebruaril 2015 pensionile ning avalikustati info uute missioonide kohta.[12] Selleks kuupäevaks oli kogunenud/saavutatud[11]

  • 15600 tundi tööd kosmoses
  • 9600 tiiru ümber Maa
  • 423 miljonit läbitud kilomeetrit
  • 5000 sideseanssi juhtimiskeskusega
  • 280 fotot kosmosest
  • 1.5° vaatesuuna määramise täpsus
  • pöörlemiskiirus 841 kraadi sekundis
  • järele kontrollitud elektronkahurite töötamine

Side ESTCube-1-ga lakkas 19. mail 2015. [13] Satelliit jääb orbiidile veel umbes 20 aastaks. Selle ajaga väheneb satelliidi kõrgus atmosfääris pidurdumise tõttu sedavõrd, et atmosfääri tihedamatesse kihtidesse jõudes põleb satelliit ära.

Eesti kuupsatelliidi ESTCube-1 projektis osales ligi 200 üliõpilast rohkem kui kümnest rahvusest. Lisaks Tartu ülikoolile osales üliõpilasi Tallinna tehnikaülikoolist, Eesti maaülikoolist, Eesti lennuakadeemiast ja Tallinna ülikoolist. Tartu observatooriumi teadusmaleva kaudu on projekti oma panuse andnud ka Eesti gümnasistid.

Satelliidi orbiit[muuda | redigeeri lähteteksti]

Teadusliku eksperimendi läbiviimiseks ja satelliidiga sidepidamiseks on mitmel põhjusel sobivaim päikesesünkroonne ringikujuline polaarorbiit. ESTCube-1 orbiidi kõrgus maapinnast on ca 650 kilomeetrit, satelliit lendab mööda orbiiti kiirusega umbes 7,46 km/s.[14]

Teaduslik eesmärk[muuda | redigeeri lähteteksti]

ESTCube-1 kaamera prototüüp

Kuigi ESTCube-1 loomisel on kõige olulisem tudengite õpetamine, on satelliidil ka teaduslik eesmärk – Soome teaduri Pekka Janhuneni poolt leiutatud elektrilise päikesepurje ühe võtmeelemendi esimene katsetus kosmoses. Tudengisatelliidi lennu käigus keritakse satelliidist välja 10 meetri pikkune 50 ja 20 mikromeetrise läbimõõduga traatidest kõrgtehnoloogiline struktuur nn Heytether. Heytetheri edukat väljakerimist satelliidist saab tuvastada satelliidi pöörlemiskiiruse märgatava vähenemise ja pardakaameraga pildistamise abil.

Kontrollimaks laetud päikesepurje elemendi vastasmõju Maad ümbritseva plasmaga ja selle mõju suurust, on satelliit varustatud kahe nanotehnoloogilise elektronkahuriga. Elektronkahurid on elektriliselt ühendatud päikesepurje elemendiga ning elektronkahurite abil satelliidilt elektrone välja tulistades laadub päikesepurje element positiivselt ligikaudu +500 voldini. Maalähedases plasmas olevad positiivsed ioonid tõukavad päikesepurje elementi ning mõjutavad seeläbi satelliidi pöörlemist. Päikesepurje efekti mõõdetaksegi eeskätt satelliidi pöörlemiskiiruse muutuse kaudu.[15].

Peale päikesepurje efekti mõõtmist plaanitakse Heytether rakendada tööle plasmapiduri režiimis, laadides selle ionosfääri plasma suhtes negatiivselt, ning demonstreerida sellega ühte võimalust väikeste satelliitide orbiidilt allatoomiseks.

Ehitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mõõtmed ja kaal[muuda | redigeeri lähteteksti]

ESTCube-1 kuupsatelliidi kere koos prototüüp-plaatidega.

Standardse ühikulise (1U) kuupsatelliidi "põhja" külgede pikkused peavad olema 100,0±0,1 millimeetrit, satelliidi sügavus või kõrgus 113,5±0,1 mm[6].

Kuupsatelliitide standardile vastavalt on ette nähtud kolmes erinevas suuruses kuupsatelliite, vastavalt suurusega 1U, 2U ja 3U. Põhja külgede pikkused on kõigil samad, sügavus on vastavalt kaks või kolm korda 1U mõõtudest suurem[6].

Kuupsatelliitide standard näeb ette massi ülempiiriks 1U mõõtudega satelliidil 1300 grammi, 2U ja 3U mõõtude korral vastavalt 2600 ja 4000 grammi[6].

Eesti tudengisatelliidi kavandamise käigus otsustati ehitada 1U standardi nõuetele vastav tehiskaaslane. Satelliidi valmimisel jõuti lahenduseni, mille korral püsitakse nii massi kui mõõtude osas ettenähtud piirides, satelliidi lennumudel kaalub 1048 grammi.

Alamsüsteemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

ESTCube-1 ehitust ja alamsüsteeme illustreeriv joonis.

ESTCube-1 on modulaarse ehitusega, koosnedes paljudest alamsüsteemidest.

Satelliiti hoiab tervikuna koos ühest alumiiniumitükist freesitud raam, raamile kinnituvad küljepaneelid, millel omakorda asuvad päikesepaneelid, päikesesensorid ja elektronkahurid. Ühel küljepaneelil asub ka pool antennide stardiaegseks fikseerimiseks, vastaspaneelil aga avad pardakaamera ja päikesepurje traadi jaoks. Raami sees asuvad trükiplaadid satelliidi alamsüsteemide elektroonikaga on ühendatud omavahel ning raamiga nelja keermestatud pulga abil. Erinevad alamsüsteemid on omavahel ühendatud pistikute-pesadega, milles on neljas reas kolmkümmend viiku. Raami ja küljepaneelide disain on satelliidi struktuuri alamsüsteemi (lühend STR) ülesanne.

Satelliidi päikesepaneelid.

Satelliidi töö seisukohast üks olulisemaid süsteeme on elektritoite alamsüsteem (lühend EPS), mille ülesandeks on koguda päikesepaneelidelt elektrienergiat, seda salvestada ja jagada teistele alamsüsteemidele. Kui satelliit orbiidile toimetamise järel kanderaketilt eemale tõugatakse, käivitub esimesena just elektritoite alamsüsteem. Käivitunud EPS peab ajaarvestust alates satelliidi eraldumisest ning ettemääratud aja pärast avab raadioantennid ning alustab teiste alamsüsteemide sisselülitamisega. Ka satelliidi töö jooksul kontrollib just see alamsüsteem kõigi teiste alamsüsteemide tööd, võimaldades näiteks mingil põhjusel probleeme tekitavaid alamsüsteeme välja lülitada. Elektritoite alamsüsteemi üheks ülesandeks on ka raadiomajaka saatmine, seda isegi sel juhul, kui teised olulised alamsüsteemid ei peaks töötama. Disainilt on ESTCube-1 elektritoite süsteem küllalt uudne, seal kasutatud lahendused on pakkunud huvi ka teiste satelliidimissioonide meeskondadele.

Lisaks EPS-ile on olemuslikult väga oluline kommunikatsiooni alamsüsteem (lühend COM), mis võimaldab suhtlust satelliidiga. ESTCube-1 COM on disainitud väga minimalistlikuna, pidades silmas eesmärki, et COM peab töötama teiste alamsüsteemide jaoks läbipaistvana. Kommunikatsiooni alamsüsteem kasutab sidepidamiseks kahte suure integratsiooniga mikroskeemi ADF7021-N[16] ning väga madala energiatarbega MSP perekonna mikroprotsessorit. Tavapärase andmeedastuskiiruse 9600 bitti sekundis korral suudab satelliit ideaaljuhul edastada ligikaudu 62 kilobaiti andmeid minutis.

Satelliidi normaalset tööd koordineerib käsu- ja andmehalduse alamsüsteem (lühend CDHS). Selles alamsüsteemis toimub põhiline andmete – telemeetria – kogumine terve satelliidi kohta, andmete ladustamine ning käsu peale Maale saatmine. CDHS on esmane pöörduspunkt kõigi missiooni jooksul tehtavate eksperimentide käivitamiseks. ESTCube-1 käsu- ja andmehalduse alamsüsteem on disainitud nii riist- kui tarkvaraliselt dubleerituks. Riistvaraliselt on dubleeritud protsessorid, tarkvaraliselt aga andmete salvestamine satelliidi pardal. Olles põhiline satelliidi tööd koordineeriv süsteem, tegeleb CDHS ka arvutustega satelliidi asendi ja pöörlemiskiiruse määramiseks, selleks kasutatavad protsessorid kuuluvad STMicroelectronics ARM Cortex M3 perekonda[17].

Asendi määramisega seotud arvutusteks vajalikud andmed laekuvad jooksvalt satelliidi asendi halduse ja kontrolli alamsüsteemist (lühend ADCS), millel ei ole oma mikrokontrollerit. Siiski on sellel alamsüsteemil satelliidis oma trükiplaat, millel paiknevad magnetomeetrid, güroskoobid ning päikesesensorite kasutamiseks vajalikud analoog-digitaalmuundurid. Hinnanguliselt suudetakse satelliidi asendit Päikese suhtes määrata 4 kaarekraadise täpsusega, seda umbes 10 korda sekundis.

Varem kirjeldatud alamsüsteemid on vajalikud satelliidi töötamiseks ja kontrollimiseks, lisaks neile on pardal veel kaks alamsüsteemi: kaamera alamsüsteem (lühend CAM) ja eksperimendi alamsüsteem (lühend PL).

Satelliidi pardal on värvilise CMOS-sensoriga kaamera, mis võimaldab teha VGA-lahutusega RAW-formaadis pilte. ESTCube-1 pardakaameras kasutatakse 680x480 piksliga CMOS-sensorit, 4,4 millimeetrise fookuskaugusega objektiivi suhtelise avaga 1,9 ning STMicroelectronics ARM Cortex M3 perekonna mikroprotsessorit, mis on võimekaim terves satelliidis. Pardakaamera võimaldab teha pilte Maast ning eksperimendi kulgemisest, aga ka piltide abil kalibreerida satelliidi teisi asendiandureid. Tõstmaks piltide tegemise efektiivsust, suudab CAM alamsüsteem analüüsida pilte mõningal määral ka pardal ning võtta vastu otsuseid tehtud pildi kvaliteedi kohta. Vajadusel on võimalik koostada ka suure dünaamilise ulatusega pilte. CAM on kahtlemata kõige rohkem korraga andmeid tootev ESTCube-1 alamsüsteem, ühe 10-bitise heleduslahutusega pildi maht on ligi 600 kB. Tehtud pilte on võimalik pikemalt hoida CDHS-i salvestusseadmetes, maksimaalses mahus kuni 16 megabaiti.

Satelliidi teaduslik missioon sõltub eksperimendi alamsüsteemist (PL), mis paikneb mitmes kohas satelliidis. Eksperimendiks vajalik mehaaniliste seadmete komplekt asub satelliidi keskmises sektsioonis ja koosneb ultrahelimootorist, millele on kinnitatud pool päikesepurje traadiga, traadi otsas olevast (stardil lukustatud) raskusest ning neid kõiki koos hoidvast ümbrisest. Päikesepurje-eksperimendi käigus kasutatav kõrgepinge toodetakse eraldi satelliidi sektsioonis. Kõrgepingeallikas on ühendatud satelliidi ülemisesl ja alumisel küljepaneelil asuvate nanotehnoloogiliste elektronkahuritega, mis valmistati Soomes Jyväskylä Ülikoolis.

Satelliidi missiooni tugistruktuurideks võib lugeda Maal asuvaid satelliitsidejaama (lühend GS) ja tarkvaralist missioonijuhtimiskeskust (lühend MCS). Nende ülesanne on võimaldada raadiosidet satelliidiga (GS) ning sideseansside planeerimist ja satelliidile käskude saatmist ning Maale tulevate vastuste analüüsimist (MCS). Hetkel toimub kahepoolne side satelliidiga Tartu Ülikooli ja Tartu Observatooriumi satelliitsidejaamadest, kuid vastuvõtuga panustavad ka mitmed raadioamatöörid üle Euroopa.

Tarkvara[muuda | redigeeri lähteteksti]

ESTCube-1 mikrokontrollerites kasutatakse järgnevaid operatsioonisüsteeme:

  • FreeRTOS satelliidi pardaarvutis ning kaameramoodulis
  • TinyOS satelliidi kommunikatsioonimoodulis BSD litsentsiga. See on mõeldud kasutamiseks väga väikese elektritarbega seadmetega, näiteks võrguandurid, laiatarbe arvutusvahendid, isikuvõrgud (PAN), targad majad (targad kodud) jne.

Maa peal kasutatakse satelliidi töö juhtimiseks valdavalt Javas kirjutatud programme ning satelliidimissioonide juhtimiseks sobivat tarkvaralist raamistikku Hummingbird[18], mille arendavad Tartu Ülikooli informaatikatudengid firma CGI juhendamisel ja toel.

Sidepidamine satelliidiga[muuda | redigeeri lähteteksti]

Antenn Tartu Ülikooli füüsikahoone katusel, mida kasutatakse satelliidiga suhtlemiseks.

Satelliidilt andmete Maale edastamiseks kavatsetakse kasutada kahte IARUs registreeritud sagedust[19]:

  • 437,250 MHz
  • 437,505 MHz

Perioodiline, kuid väga aeglane (18 sõna minutis) andmeedastus toimub telegraafisignaaliga sagedusel 437,250 MHz. Sellisel viisil edastatakse kõige olulisemaid satelliidi parameetreid iga kolme kuni viie minuti tagant. Näide nn. turvarežiimis telegraafimajakaga saadetavast sõnumist on: ES5E/S T Z6DH5FU S6 US ZH TTTT CE TT TT TT SB SB US WU TT T A TZ TZ TT KN

Kiireks andmeedastuseks kasutatakse FSK-modulatsiooniga raadiosignaali sagedusel 437,505 MHz, andmeedastuskiirusega 9600 bitti sekundis vastavalt AX.25 pakettside standardile. Võrdlemisi aeglase andmete ülekande põhjuseks on amatöörraadio sagedusala kasutamine, milles sidekanali maksimaalseks lubatud ribalaiuseks on 25 kilohertsi. Kiire andmeedastus toimub vaid satelliidile saadetud vastavate käskude järel.

Telegraafisignaaliga saadetava majakainfo vahele on satelliit normaalses töörežiimis olles võimeline edastama perioodiliselt ka lühikesi AX.25-pakette andmeedastuskiirusega 9600 bitti sekundis, mis sisaldavad infot satelliidi alamsüsteemide hetkeolukorra kohta. Energia kokkuhoiu eesmärgil pakettmajakas vaikimisi ei tööta.

Satelliidile käskudele saatmiseks kasutatakse 145 MHz amatöörraadio sagedusi.

Rahastamine ja maksumus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Odavaimat võimalust satelliidi kosmosesse viimiseks pakub Euroopa Kosmoseagentuur. Kuna Eesti on ESA assotsieerunud liige, siis kaetakse stardikulud (u 70 000 eurot) suuremalt jaolt Eesti liikmemaksu hariduskuludest. Koos üles lennutamisega on projekti kulud kokku umbes 100 000 eurot[viide?].

Tunnustus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Meedias
Videod