ESTCube-1

Misija un uzdevumi

ESTCube-1 primārā misija bija izpildīt pasaulē pirmo Saules vēja elektriskās saules buras eksperimentu kosmosā, pārbaudot 10 m gara pavediena iztīšanu, lādēšanu un mijiedarbību ar Zemes atmosfērā esošo jonosfēras plazmu.
Šai tehnoloģijai ir potenciālas iespējas uzlabot pārvietošanos Saules sistēmā, padarot kosmiskos aparātus vieglākus un lētākus, kā arī salīdzinoši ātrus, salīdzinot ar pašreiz lietotajām tehnoloģijām.

Novadīšana no orbītas

Pēc eksperimenta bija paredzēts, ka pavadonis tiktu novirzīts no orbītas, lai tas sadegtu atmosfērā. Taču, tā kā bija iespējams augšupielādēt jaunu programmatūru, pirms orbītas novirzīšanas varētu izpildīt citus uzdevumus, piemēram, stāvokļa kontroles eksperimentus. Kosmisko aparātu novadīt no orbītas un iznīcināt nepieciešams, lai tas nekļūtu par kosmisko atkritumu. Tā kā mūsdienās tiek būvēts un palaists arvien vairāk pavadoņu, kosmiskie atkritumi ap Zemi kļūst arvien lielāka problēma.

Struktūra

ESTCube-1 tika veidots pēc CubeSat standarta 1U ar izmēriem 10 × 10 × 11,35 cm un masu 1,048 kg. Rāmis izgatavots no viena alumīnija gabala.

Stāvokļa noteikšanas un kontroles sistēma

Stāvokļa noteikšanas un kontroles sistēma (angļu: Attitude Determination and Control System, ADCS) ir sistēma, kas nodrošina sekmīgu elektriskās buras eksperimentu, veicot pavadoņa iegriešanu. ADCS arī veic kosmiskā aparāta stabilizāciju, orientāciju un saistītos mērījumus ar attiecīgajiem sensoriem: magnetometri (magnētiskais lauks), saules sensori (Saules pozīcija), žiroskopi (leņķiskais paātrinājums).
Redundances nolūkos ESTCube-1 ir izvietoti divi magnetometri un leņķiskā ātruma sensori, un uz katras pavadoņa malas ir izvietots viens Saules sensors, lai Saules atrašanos varētu noteikt jebkurā brīdī (izņemot, kad satelīts atrodas Zemes ēnā, un Saule nav redzama). No šiem mērījumiem ir iespējams noteikt kosmiskā aparāta stāvokli (satelīta koordinātu sistēmas attiecību pret Zemes koordinātu sistēmu) un leņķisko ātrumu ap pavadoņa koordinātu sistēmas asīm. Satelīta atrašanās orbītā tiek noteikta no divu līniju elementiem (Two Line Elements, TLE). Pie trīs ortogonāli izvietotām pavadoņa malām ir novietotas induktivitātes spoles, kas, mijiedarbojoties ar Zemes magnētisko lauku, dod iespēju kontrolēt satelīta stāvokli trīs dimensijās. ADCS nav procesora — aprēķinus veic komandu un datu pārvaldes sistēma.

Komandu un datu pārvaldes sistēma

Komandu un datu pārvaldes sistēma (Command and Data Handling System, CDHS) bija vienas plates dators, kas kontrolēja pavadoņa sistēmas normālajā režīmā. Tā bija saistīta ar visām pārējām apakšsistēmām, jo nodrošināja gan iekšējo saziņu, gan komandu izpildi, gan drošu datu saņemšanu, apstrādi un glabāšanu. Komandu un datu pārvaldes sistēma izmantoja divus STM32F103 ARM procesorus (F1 un F2). Ja vienam procesoram gadījās kļūme, vadību pārņēma otrs. Abi koplietoja vienu ārējo atmiņu.
CDHS izmantoja operētājsistēmu FreeRTOS.
Tā kā sistēma ir kritiska visās misijas fāzēs, gandrīz visi sistēmas aparatūras elementi ir dublēti. Vienā laika momentā darbojas tikai viens komandu un datu pārvaldes sistēmas modulis, kas papildus atmiņai mikrokontrolierī izmanto mazāk nekā 1,5 MB brīvpiekļuves atmiņas un 48 MB zibatmiņas.

Sakaru sistēma

Sakaru sistēma (Communication System, COM) bija paredzēta komunikācijai ar Zemes staciju — komandu un jaunas programmatūras saņemšanai. Tā darbojās radioamatieru frekvencēs: 437,250 MHz nepārtraukta viļņa radiobākai (telegrāfa režīmā), 437,505 MHz primārajam lejupielādes kanālam (radioamatieru protokolā AX.25 ar ātrumu 9600 bps) un 2401,250 MHz rezerves lejupielādes kanālam. Komandas no zemes stacijas pavadonim tika sūtītas 145 MHz frekvencē.
COM mikroprocesors izmantoja operētājsistēmu TinyOS.

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma (Electric Power System, EPS) nodrošināja elektrības padevi visām apakšsistēmām. Elektrība tika iegūta no 12 Saules baterijām, kas izvietotas uz visām kuba skaldnēm. Tās deva 3,6 W enerģijas misijas sākumposmā. Lidojuma laikā lādētās daļiņas un mikrometeorīti degradēja saules baterijas, un to atdeve pamazām samazinājās. Laikā, kad pavadonis atradās Zemes ēnā (aptuveni 30 % laika), elektrība tika ņemta no litija jonu baterijām.
EPS bija arī atbildīga par citu apakšsistēmu pārbaudi, vai tās darbojas atbilstoši un nepārtraukti. Tā kā EPS bija sistēma, bez kuras citas apakšsistēmas nespētu funkcionēt, tā arī sūtīja statusa datus uz Zemes staciju. Statusa dati galvenokārt sastāvēja no svarīgākajiem telemetrijas datiem.

Kamera

Kameras (Camera, CAM) uzdevums bija uzņemt Zemes attēlus un novērot, vai pavediens eksperimenta laikā ir iztīts. Attēlu uzņemšanai tiek izmantots 640 × 480 pikseļu CMOS sensors, tāpēc CAM spēja uzņemt augstas izšķirtspējas  attēlus.
Kamera izmantoja 2 MB brīvpiekļuves atmiņas. Tā kā pārsūtāmo datu daudzums bija ierobežots, tad CAM spēja lokalizēt pavediena galā piestiprināto elementu un izgriezt no attēla tikai to daļu, kas satur nepieciešamo informāciju.

Siltuma kontroles sistēma

Siltuma kontroles sistēmas (Thermal Control System, TCS) uzdevums bija nodrošināt kosmiskā aparāta iekšējās temperatūras kontroli. Pavadonis orbītā saskaras ar skarbiem apstākļiem, tajā skaitā lielām temperatūras izmaiņām, kas var izraisīt bojājumus kosmiskā aparāta komponentēs. Lai temperatūru satelīta iekšpusē nodrošinātu viscaur vienādu un tuvu istabas temperatūrai (lielāka daļa mehānisko un elektronisko komponenšu bija paredzētas darbam istabas temperatūrā), tika izmantotas pasīvas metodes, kas siltumstarojumu no Saules un iekšējiem avotiem korpusa iekšienē sadalītu vienmērīgi. Šādas pasīvās metodes tika realizētas ar atšķirīgām virsmu apdarēm un krāsām.

Zemes stacija

Zemes stacija (Ground Station, GS) nodrošināja saziņu starp satelītu un Zemi. Tā sastāv no antenas, radio stacijas, modema, vairākiem serveriem. Atrodas Tartu. Signālu uztveršanā piedalījās arī daudzi radioamatieri visā Eiropā.
Pavadoņa kontrolei tika izmantota programmatūra Mission Control System (MCS). Ar to reālā laikā varēja monitorēt pavadoņa orbitālo kustību, sūtīt komandas kosmiskajam aparātam un apskatīt saņemtos datus. Programmatūras pamatā bija uzņēmumā CGI Estonia izstrādātā atvērtā pirmkoda infrastruktūra Hummingbird.

Pirmsstarta sagatavošana

2011. gada 21. janvārī kosmiskais aparāts tika nodots palaišanas nodrošinātājam Nīderlandes uzņēmumam ISIS. Februārī to nogādāja Franču Gviānā.

Rezultāti

Elektropadeves nodrošināšanas sistēma, sakaru sistēma un komandu un datu pārvaldes sistēma turpināja funkcionēt līdz misijas beigām. Tika uzņemti vairāk nekā 280 attēli kameras raksturošanas, augstuma noteikšanas validācijas un sabiedrības informēšanas nolūkos.
Tika identificēti konstrukcijas uzlabojumi, daudzi no kuriem tika ņemti vērā un īstenoti Somijas pavadoņa Aalto-1 izstrādē.
Satelīta izveide deva iespēju aptuveni 200 studentiem apgūt inženierzinātņu jomas, izstrādāt 20 maģistra darbus un 30 bakalaura darbus, no tiem vienu bakalaura un piecus maģistra darbus izstrādājuši studenti no Latvijas.