Aalto-1

Suunnittelu ja rakentaminen

Aalto-1:n suunnittelu alkoi keväällä 2010. Satelliittimission esisuunnitelma saatiin valmiiksi saman vuoden syksyllä ja esisuunnittelukatselmus (PDR, lyhenne sanoista Preliminary Design Review) joulukuussa 2011. Satelliittia suunniteltiin tällöin laukaistavaksi vuoden 2013 lopussa tai 2014 alussa. Satelliitti olikin tarkoitus laukaista vuoden 2014 lopulla Guayanan avaruuskeskuksesta, mutta projektin viivästysten takia laukaisua jouduttiin lykkäämään myöhemmäksi.
Satelliitista rakennettiin ennen avaruuteen lähetettävää lentomallia kaksi kehitysversiota, fyysinen malli ja sähköinen malli (niin sanottu insinöörimalli). Fyysisellä mallilla testattiin mahtuvatko satelliitin suunnitellut osat annettuun tilaan. Sähköisen mallin järjestelmät rakennettiin mahdollisimman samanlaisiksi lopullisen lentomallin kanssa, ja niillä kokeiltiin satelliitin järjestelmien ja hyötykuormien toimimista erilaisissa olosuhteissa ennen varsinaisen lentomallin rakentamista.
Satelliitin alijärjestelmiä päästiin testaamaan maaliskuussa 2014 Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratoriossa. Nanosatelliittien järjestelmiä ei tyypillisesti säteilytestata kokeiden korkean hinnan takia – Aalto-1:n järjestelmät pääsivät kokeisiin Jyväskylän RADEF-laitokselle peruutuspaikan ansiosta parin viikon varoitusajalla. Satelliitin tärinätestit saatiin päätökseen VTT:llä joulukuun alussa 2014, ja niissä ilmeni joitakin pieniä ongelmakohtia.
Aalto-1-projekti on synnyttänyt suomalaisen Iceye-yhtiön, joka pyrkii kehittämään satelliittipohjaisen jääinformaatiopalvelun arktisille alueille, sekä kaksi spin-off-projektia, Suomi 100- ja Reaktorin Hello World -satelliitit. Projektiin oli joulukuussa 2014 osallistunut yli 80 Aalto-yliopiston sähkötekniikan koulun opiskelijaa. Maaliskuussa 2015 satelliitti sai Viestintävirastolta viiden vuoden kestoisen radioluvan.

Laukaisujärjestelyt

Aalto-1:n laukaisusta avattiin avoin tarjouspyyntö huhtikuussa 2014, jonka hollantilainen laukaisuvälittäjä Innovative Solutions in Space (ISIS) voitti noin 240 000 euron tarjouksellaan. Satelliitti oli tarkoitus laukaista yhdysvaltalaisen SpaceX:n Falcon 9 -kantoraketilla vuoden 2015 syksyllä.
Satelliitin lentomallille ehdittiin laukaisun viivästymisen ansiosta tehdä vielä lisää testejä. Lentomalli olisi alun perin pitänyt toimittaa Alankomaihin heinäkuussa 2015, mutta viivästymisen ansiosta oli tarkoitus toimittaa laukaisunvälittäjälle marraskuussa. Lentomalli kävi vielä lokakuun viimeisellä viikolla avaruussimulaatiotestit tyhjiökammiossa ja marraskuun ensimmäisellä viikolla tärinätestit. Maa-aseman ja satelliitin välistä yhteyttä testattiin myös insinöörimallilla. Aalto-1:n lentomalli odotti edelleen täysin valmiina joulukuussa toimitusta Alankomaissa toimivalle laukaisuvälittäjälle. Laukaisun viivästymisen seurauksena uudeksi toimitusajaksi tuli alkuun seuraavan vuoden helmikuun alku, mistä toimitusaika siirtyi ensin maaliskuulle 2016, ja lopulta toukokuulle 2016. Satelliitti kuljetettiin reittilennon käsimatkatavarana Alankomaiden Delftiin, missä se integroitiin Innovative Solutions in Space -yhtiön puhdastilassa Quadpack-laukaisusovittimeen, joka oli tarkoitus asentaa SHERPA-hyötykuorma-adapteriin muiden vastaavien laukaisusovittimien kanssa kesällä 2016. Uusien viivästysten takia satelliitin toimintavalmius joudutaan vielä tarkastamaan uudelleen kesän 2016 jälkeen, sillä sitä ei ole suunniteltu olemaan toimettomana puolen vuoden ajan. Tarkastusten yhteydessä satelliitin akut ladataan uudelleen.

Ajankohta lykkääntyy

Satelliitin laukaisusta vastaavan SpaceX:n Falcon 9 v1.1 -raketti tuhoutui tosin saman vuoden kesäkuussa CRS-7 -rahtilennon yhteydessä sattuneessa onnettomuudessa, minkä seurauksena yhtiö keskeytti rakettilaukaisunsa joulukuuhun 2015 saakka, jolloin Falcon 9 -raketti palasi käyttöön. Onnettomuuden seurauksena myös Aalto-1:n laukaisu viivästyi, ja uudeksi laukaisuajankohdaksi oli syyskuussa 2015 tullut vuoden 2016 alkupuoli. Marraskuussa 2015 ajankohdaksi tarkentui helmi-maaliskuu 2016, mistä ajankohtaa tarkennettiin kuukautta myöhemmin maaliskuulle 2016. Maaliskuun 2016 alulla laukaisuajankohta oli lykkääntynyt touko-kesäkuulle, ja toukokuussa kesä-heinäkuulle.
Laukaisua lykättiin jälleen kesäkuussa 2016 muutamilla kuukausilla syys-marraskuulle 2016. Viimeisimmän viivästyksen taustalla on Vandenberg Air Force Base laukaisukapasiteetti, joka on varattu muille laukaisijoille elokuusta syyskuun alulle. Aalto-1:n laukaisua lykkää myös Iridium NEXT -konstellaation ensimmäinen laukaisu, jonka oli alun perin tarkoitus tapahtua Aalto-1:n avaruuteen vievän Formosat-5 -satelliitin ja SHERPA-hyötykuorma-adapterin laukaisun jälkeen. Iridium-laukaisu on kuitenkin SpaceX:n prioriteeteissa korkeammalla, ja lykäten Aalto-1:n laukaisun myöhemmälle ajankohdalle. Aalto-1:n laukaisu lykkääntyi jälleen AMOS-6 -tietoliikennesatelliitin laukaisuvalmistelujen yhteydessä sattuneen Falcon 9 -raketin räjähdyksen seurauksena. Lokakuussa 2016 aikaisin mahdollinen laukaisuajankohta oli siirtynyt tammikuulle 2017.
Joulukuun 2016 tilanteessa satelliitin laukaisun odotettiin tapahtuvan vuoden 2017 ensimmäisen vuosineljänneksen aikana, mikäli SpaceX:n Falcon 9 -kantoraketti jatkaisi laukaisujaan saman vuoden tammikuussa.
Aalto-1 oli tarkoitus laukaista Vandenbergin lentotukikohdasta noin 500–900 kilometrin korkeudessa kiertävälle aurinkosynkroniselle kiertoradalle Spaceflight Industriesin SHERPA-hyötykuorma-adapterin kyydissä, jonka oli tarkoitus olla Taiwanilaisen Formosat 5 -satelliitin laukaisun toissijainen hyötykuorma. SHERPA-adapteri olisi vienyt samalla laukaisulla kaikkiaan 87 nanosatelliittia kiertoradalle, mikä olisi tehnyt lennosta eniten satelliitteja kiertoradalle vieneen yksittäisen laukaisun. Viivästynyt SHERPA-laukaisu menetti ennätyksen jo ennen laukaisuaan, kun Intian avaruusjärjestön PSLV-raketti laukaisi 104 satelliittia kiertoradalle helmikuussa 2017.

Kantoraketti vaihtuu

Spaceflight Intel Reportin helmikuussa 2017 julkaiseman artikkelin mukaan SHERPA-laukaisu oli viivästymässä jopa vuodelle 2018. Muutamaa viikkoa artikkelin julkaisun jälkeen Spaceflight Industries julkaisi tiedotteen, jossa se ilmoitti siirtäneensä kaikki Formasat-5 -laukaisun toissijaisiksi hyötykuormiksi suunnitellut satelliitit laukaistavaksi muilla kantoraketeilla. Yhtiön edustaja kertoi myöhemmin SpaceNewsille, että satelliitit olivat siirretty kahdelle laukaisulle, joista toinen oli yhtiön oma Falcon 9:llä myöhemmin vuonna 2017 laukaistavaksi suunniteltu SSO-A-lento, ja toinen jonkun muun ”kansainvälisen laukaisutoimijan” lento vuoden 2017 kesällä tai syksyllä. Aalto-1 oli siirretty ”kansainvälisen laukaisutoimijan” lennolle, sillä maaliskuussa 2017 uutisoitiin satelliitin laukaisun siirtyneen intialaisen PSLV-XL-kantoraketin seuraavalle lennolle, joka oli tarkoitus laukaista Bengalinlahden rannalla sijaitsevasta Satish Dhawanin avaruuskeskuksesta 23. huhtikuuta 2017. Samalla laukaisulla on tarkoitus laukaista Aalto-1:n lisäksi kymmeniä muita piensatelliitteja.
Aalto-1 oli tarkoitus toimittaa maaliskuussa 2017 Intiaan Alankomaista, missä se oli odottanut laukaisua keväästä 2016 alkaen. Laukaisun viivästysten takia Aalto-1 ei tule olemaan ensimmäinen suomalainen kiertoradalle pääsevä satelliitti, sillä alun perin sen seuraajaksi suunniteltu Aalto-2 oli tarkoitus laukaista Orbital ATK:n Cygnus-kapselin kyydissä Atlas V -raketilla kansainväliselle avaruusasemalle, mistä se vapautetaan kiertoradalle. Aalto-1 tulee tosin tästä huolimatta olemaan ensimmäinen Suomen avaruusalusrekisteriin merkittävä laite, sillä aiemmin laukaistava Aalto-2 tullaan rekisteröimään Belgiaan, sillä satelliitti on osa kansainvälistä QB50-hanketta, jota johdetaan Belgiasta.

Ensimmäinen vuosi avaruudessa

Aalto-yliopiston maa-asema havaitsi Aalto-1:n signaalin muutamia tunteja laukaisun jälkeen noin kello 7 UTC-aikaa, minkä jälkeen satelliittiin ollaan oltu yhteydessä liki päivittäin.
Satelliitin kaikki järjestelmät olivat toimintakuntoiset ensimmäisen kiertoradalla vietetyn vuoden jälkeen. Ainoa merkittävämpi tekninen vika oli satelliitin Saksasta hankitun iADCS-100 -asennonsäätöjärjestelmän ohjelmistossa. Satelliitti ei ohjelmiston ongelman takia kyennyt pitämään itseään kiertovakaana, vaan pyöri hiljalleen. Asennonsäätöjärjestelmän toimittajalla ei ollut alkuun suurta innostusta korjata ongelmallista koodiaan, mutta se toteutti lopulta pitkän odottelun ja useiden kyselyjen jälkeen tarvittavat ohjelmistokorjaukset. Päivitetty ohjelmisto paransi satelliitin asennonsäätöön liittyneitä ongelmia, ja Aalto-1:tä onkin sen jälkeen valmisteltu jälleen spektrikameran käyttöä varten.
Säteilyä mittaava RADMON-hyötykuorma oli tehnyt paljon tieteellisesti merkittäviä mittauksia, havainnoiden muun muassa Auringosta syksyllä 2017 tullutta säteilymyrskyä. Saatu data on ollut kiinnostavaa, ja säteilymittarin on annettukin kuluneen vuoden aikana tehdä alun perin suunniteltua enemmän mittauksia. Hyötykuorman lisätyn käytön taustalla olivat tosin osittain asennonsäädön ongelmat, sillä RADMON ei tarvitse toimiakseen tarkkaa asennonsäätöä. Satellitin kiertoliike teki spektrikameran ja nopeamman, suunta-antennia hyödyntävän radiolinkin käytöstä hankalaa, sillä tarkka suuntaus on molempien järjestelmien osalta varsin olennaista.

Rakenne

Aalto-1 on kooltaan kolme CubeSat-yksikköä, ja sen ulkomitat ovat 100 × 100 × 340,5 mm. Satelliitin runkona on 1,5 millimetriä paksusta alumiinilevystä valmistettu nelikulmainen putki. Sen sisällä olevat piirilevyt ovat järjestetty kahteen pinoon, joista käytetään nimityksiä lyhyt ja pitkä pino. Pitkän pinon piirilevyjen pinnat ovat suorassa kulmassa satelliitin pituusakseliin nähden, kun vastaavasti lyhyen pinon piirilevyjen pinnat ovat akselin suuntaiset. Pitkään pinoon on sijoitettu satelliitin radiolaitteet, päätietokone, AaSI-spektrometri ja asennonsäätöjärjestelmä. Lyhyeen pinoon on sijoitettu RADMON-säteilyilmaisin ja plasmajarru. Satelliitin voimanlähteenä ovat sen ulkokuoreen kiinnitetyt aurinkokennot.

Alijärjestelmät

Satelliitin alijärjestelmiin kuuluvat päätietokone (OBC), navigaatio- (iADCS, GPS), kommunikaatio- (COM), sähkö- (EPS), runkorakennejärjestelmä (STR) ja hyötykuormajärjestelmät (AaSI, RADMON, EPB).

Päätietokone

Aalto-1 -satelliitin kahdesta Linux-pohjaisesta tietokoneesta koostuva päätietokone (OBC, engl. On-Board Computer) ohjaa satelliitin kaikkia toimintoja asennonsäätöjärjestelmää lukuun ottamatta. Tietokoneen kestomuistiin tallennetaan hyötykuormajärjestelmien tuottamaa tietoa, jota voidaan lähettää OBC:n ohjaaman radiolinkin kautta.
Kahteen Atmelin AT91RM9200-suorittimeen pohjautuva tietokone kommunikoi satelliitin hyötykuormien ja muiden alijärjestelmien kanssa I²C-, UART- ja SPI-liitäntöjen välityksellä. Kahdesta erillisestä tietokoneesta rakentuva ratkaisu mahdollistaa satelliitin toiminnan jatkumisen mahdollisessa vikatilanteessa, jossa toinen tietokone tulisi toimintakyvyttömäksi, sillä käytössä olevaa konetta voidaan vaihtaa vuorottajan avulla.
Hyötykuormajärjestelmän tietojen ja tieteellisten mittausten käsittely tapahtuu kahdessa ennalta määritellyssä pakettiformaatissa, ja spektrometrin kuvadata pakataan ennen kestomuistiin tallentamista. Satelliitin ohjelmistoa on mahdollista päivittää myöhemmin avaruudessa, mutta toimintoa ei ole tarkoitus käyttää, mikäli se voidaan vain välttää päivitykseen liittyvien riskien takia.

Radiolaitteet

Aalto-1 käyttää kahta eri taajuusalueella toimivaa radiolinkkiä maa-aseman kanssa tapahtuvaan yhteydenpitoon. Eri taajuusalueiden lähettämiseen ja vastaanottamiseen on kaksi erillistä radiomoduulia, jotka toimivat 437,22 megahertsin UHF- ja 2,402 gigahertsin S-kaistan taajuusalueilla.
Aalto-1 käyttää matalampisiirtokykyistä UHF-radiolinkkiä telemetriatietojen lähettämiseen, komentojen vastaanottamiseen, sekä radiomajakkana. UHF-radiolaitteen lähetysteho on 150 milliwattia ja linkki sijoittuu 437,22 megahertsin taajuusalueelle. UHF-linkin antennit ovat ympärisäteileviä dipoliantenneja, jolloin niiden avulla voidaan saada yhteys satelliittiin tilanteessa, jossa asennonsäätöjärjestelmä on vioittunut ja satelliitin asento on tuntematon. Normaalitilanteessa kahdesta dipoliantennista yhtä käytetään radioliikenteeseen. Toinen antenni on vara-antenni, joka voidaan ottaa käyttöön, jos ensimmäinen vioittuu. Antennit on leikattu metallisesta rullamittanauhasta. S-kaistaan nähden matalataajuisemman UHF-taajuuden vapaan tilan vaimennus myös on pienempi. Satelliitin kanssa kommunikointi tapahtuu AX.25-protokollalla.
UHF-radiolaitteen lisäksi satelliitissa on toinen S-kaistan taajuusalueella toimiva radiolinkki, jota käytetään spektrometrin ottamien kuvien lähettämiseen sen nopeamman siirtonopeuden takia. Satelliitin S-kaistan radiolaitteet on kehittänyt Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulun radiotieteen ja -tekniikan laitos. S-kaistan radiolinkki käyttää suuntaavaa patch-antennia.

iADCS-100 -asennonsäätöjärjestelmä

Satelliitin asennonsäätöjärjestelmä on saksalaisen Berlin Space Technologiesin ja alankomaalaisen Hyperion Technologiesin yhteistyönä kehitetty ja valmistettu iADCS-100, joka käyttää kolmiakselista magnetometriä, -gyroskooppia ja -akselometria sekä tähtien asemaa mittaavaa sensoria satelliitin aseman määrittämiseen. Satelliitin asennon säätämiseen käytetään kolmea reaktiopyörää ja kolmea magneettikelaa. iADCS kommunikoi satelliitin päätietokoneen ja muiden osien kanssa I²C- ja RS485-väylien kautta.

AaSI-spektrometri

Satelliitin päähyötykuorma on VTT:n kehittämä kuvantava spektrometri, Aalto-1 Spectral Imager (AaSI), jonka avulla voidaan mitata veden laatua ja erotella maanpeitteen eri lajit. AaSI koostuu kahdesta kameramoduulista, joista toista käytetään spektrikamerassa, joka sisältää pietso-aktuoidun Fabry-Pérot interferometrin (PFPI). Toista kameramoduulia, jossa on laajempi näkökenttä, käytetään näkyvän valon kamerassa. Näkyvän valon kameran tarkoitus on vahvistaa kuvatun alueen sijaintia ja tarkistaa näkyvyyttä. Järjestelmän yksinkertaistamiseksi molemmissa kameroissa käytetään samanlaista CMOS-kennoa. AaSI saa komennot satelliitin päätietokoneelta (OBC) I²C-väylän kautta. Kuvatiedostojen siirto AaSI:n välimuistista OBC:lle tapahtuu SPI-väylän kautta. Yhden välimuistillisen (16 megapikseliä) siirtämiseen kuluu minimissään 5,7 sekuntia. Spektrometrillä otettiin ensimmäinen kuva ennen satelliitin laukaisua helmikuussa 2015.

RADMON-säteilyilmaisin

Satelliitin toinen hyötykuorma on Helsingin ja Turun yliopistojen yhteistyönä kehitetty säteilyilmaisin. Ilmaisin pystyy havaitsemaan liki valonnopeudella liikkuvia yli kymmenen megaelektronivoltin (MeV) protoneita ja yli 0,7 MeV elektroneja, ja sillä on tarkoitus kartoittaa aurinkotuulioloja matalalla Maan kiertoradalla. RADMON-moduuli koostuu hiukkasilmaisimesta ja ilmaisimeen osuvien varattujen hiukkasten määrän, lajin ja energian määrittävästä lukuelektroniikasta. RADMON-moduuli digitalisoi ilmaisimilta tulevan signaalin ilman hidasta analogista muokkausta, mikä mahdollistaa moduulille huomattavasi korkeamman laskentataajuuden perinteisiin analogisiin pulssinkäsittelyratkaisuihin nähden.

Plasmajarru

Satelliitin kolmas hyötykuorma on Ilmatieteen laitoksen tutkijan Pekka Janhusen kehittämän sähköpurjeen idean toimivuutta testaava plasmajarru (EPB). Jarrun satametrinen ja 25–50 mikrometrin paksuisista metallilangoista koostuva lieka, jonka päähän on kiinnitetty 0,5–1 gramman paino, voidaan korkeajännitelähteen avulla varata positiivisesti tai negatiivisesti. Positiivisen varauksen ylläpitämiseksi Aalto-1 on varustettu neljällä elektronitykillä.
Tiedehavaintovaiheen päätyttyä Aalto-1 kiihdyttää itsensä pyörimisliikkeeseen, jonka pyörimisakseli on samansuuntainen Maan pyörimisakselin kanssa, ja laskee liekaa kymmenen metriä. Satelliitti mittaa tämän jälkeen positiivisesti ja negatiivisesti varatun liean ja Maan ionosfäärin välistä vuorovaikutusta. Liean varaaminen sekä mittaukset tehdään satelliitin ollessa Maan napa-alueiden yläpuolella, missä ionosfäärin plasma virtaa kohtisuorasti satelliitin pyörimisakselia nähden ja Maan magneettikentän aiheuttama Lorentzin voima vaikuttaa plasmajarruun sähköpurje-efektin kanssa yhdensuuntaisesti. Sähköpurje-efektin suuruus voidaan selvittää tutkimalla pyörimisnopeuden muutosta ja magneettikentän voimakkuutta. Mission lopulle suunniteltua hallittua kiertoradalta pudottamista varten lieka kelataan satametriseksi ja varataan negatiivisesti.

Maa-asema

Aalto-1:n päämaa-asema on Espoon Otaniemessä, ja sen operoinnista vastaa pääasiassa Aalto-yliopiston sähkötekniikan laitos. Maa-asema on osa GENSO-verkostoa. Aseman UHF- ja VHF-lähetys- ja vastaanottolaitteistot saatiin valmiiksi ja käyttökuntoon kesällä 2011. S-kaistan lähetys- ja vastaanottolaitteistot eivät olleet valmiit lokakuussa 2013. Satelliitin seurantaan on tarkoitus käyttää avoimen lähdekoodin Gpredict-ohjelmistoa.