ESTCube-1

ESTCube-1 on Eesti tudengisatelliidi programmi raames ehitatud ja 7. mail 2013 Guajaana kosmodroomilt Prantsuse Guajaanas Kourous Euroopa Kosmoseagentuuri kanderaketiga Vega Maa orbiidile viidud tehiskaaslane, Eesti esimene satelliit.
ESTCube-1 oli hariduslik koostööprojekt, milles osalesid üliõpilased ja gümnaasiumiõpilased. Lisaks õppe-eesmärgile oli satelliidil ka teaduslik siht – viia läbi esimene elektrilise päikesepurje katsetus kosmoses. Kuigi päikesepurje katsetus ebaõnnestus, siis andis ESTCube-1 projekt ainet mitmekümnele teadustööle. Olulise eduna on välja toodud ka õnnestunud teaduskommunikatsiooni ja teaduse populariseerimist.
Projekti juhiti Tartu Ülikoolist, aga seal osales üliõpilasi ka Tallinna Tehnikaülikoolist, Eesti Maaülikoolist, Eesti Lennuakadeemiast ja Tallinna Ülikoolist. Rahvusvaheliste partneritena osalesid projektis Soome meteoroloogia instituut, Helsingi Ülikool, Jyväskylä Ülikool, Ida-Soome Ülikool ja Saksa kosmoseagentuur.
Tehiskaaslase kavandamisel ja ehitamisel järgiti kuupsatelliidi standardit (mass kuni 1,3 kg ja mõõtmed 100×100×113,5 mm).
ESTCube-1 orbiidi algne kõrgus maapinnast oli ligikaudu 650 kilomeetrit ning satelliidi kiirus orbiidil umbes 7,46 km/s.
Ajalugu.
Orbiidile viimine.
ESTCube-1 pidi esialgsete plaanide järgi orbiidile viidama 4. mai varahommikul, kuid tugeva tuule tõttu lükati kanderaketi start edasi.
Kanderakett startis lõpuks 7. mail kell 05:06:31 (Ida-Euroopa suveaeg, EEST). ESTCube-1 eraldus kanderaketist 2 tundi ja 48 sekundit pärast starti, kell 07:07:19 EEST.
ESTCube-1 elutsükkel kosmoses.
Veebruaris 2015 hakkas kuupsatelliidi päikesepatareide tootlikkus sedavõrd langema, et ESTCube-1 saadeti 17. veebruaril 2015 pensionile ning avalikustati info uute missioonide kohta.
Selleks kuupäevaks oli kogunenud/saavutatud:
Side ESTCube-1-ga lakkas 19. mail 2015. 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.
Teadusliku eksperimendi läbiviimiseks ja satelliidiga sidepidamiseks on mitmel põhjusel sobivaim päikesesünkroonne ringikujuline polaarorbiit. ESTCube-1 orbiidi kõrgus maapinnast on ca 650 kilomeetrit, satelliit liigub orbiidil kiirusega umbes 7,46 km/s. Jooksva info ESTCube-1 orbiidi parameetrite kohta leiab Space-Tracki veebiportaalist, visualiseeritud orbiit ja satelliidi hetkeasukoht on leitav Heavens-Above vahendusel.
Teaduslik eesmärk.
Kuigi ESTCube-1 loomisel oli kõige olulisem üliõpilaste õpetamine, oli satelliidil ka teaduslik eesmärk – Soome teaduri Pekka Janhuneni leiutatud elektrilise päikesepurje ühe võtmeelemendi esimene katsetus kosmoses. Tudengisatelliidi missiooni käigus plaaniti satelliidist välja kerida 10 meetri pikkune 50 ja 20 mikromeetrise läbimõõduga traatidest kõrgtehnoloogiline struktuur nn Heytether. Heytetheri edukat väljakerimist satelliidist oleks saanud tuvastada satelliidi pöörlemiskiiruse märgatava vähenemise ja traatstruktuuri pardakaameraga pildistamise abil.
Kontrollimaks laetud päikesepurje elemendi vastasmõju Maad ümbritseva plasmaga ja selle mõju suurust, oli satelliit varustatud kahe nanotehnoloogilise elektronikahuriga. Elektronikahurid on elektriliselt ühendatud päikesepurje elemendiga ning elektronikahurite 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..
Peale päikesepurje efekti mõõtmist plaaniti Heytether rakendada tööle plasmapiduri režiimis, laadides selle ionosfääri plasma suhtes negatiivselt, ning demonstreerida sellega ühte võimalust väikeste satelliitide orbiidilt allatoomiseks.
ESTCube-1 teadusprogrammist täideti järgmised etapid:
Teadusprogrammist jäi täitmata elektrilise päikesepurje juhtme edukas välja kerimine ning pingestatud juhtme ja atmosfääriplasma vastasmõju mõõtmine.
Ehitus.
Mõõtmed ja kaal.
Standardse ühikulise (1U) kuupsatelliidi "põhja" külgede pikkused peavad olema 100,0±0,1 millimeetrit, satelliidi sügavus või kõrgus 113,5±0,1 mm.
Kuupsatelliitide standardile vastavalt on ette nähtud kolmes suuruses kuupsatelliite, vastavalt suurusega 1U, 2U ja 3U. Põhja külgede pikkused on kõigil samad, sügavus on vastavalt kaks või kolm korda 1U mõõtudest suurem.
Kuupsatelliitide standard näeb ette massi ülempiiriks 1U mõõtudega satelliidil 1300 grammi, 2U ja 3U mõõtude korral vastavalt 2600 ja 4000 grammi.
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 kaalus 1048 grammi.
Alamsüsteemid.
ESTCube-1 oli modulaarse ehitusega, koosnedes paljudest alamsüsteemidest.
Satelliiti hoidis tervikuna koos ühest alumiiniumitükist freesitud raam, raamile kinnitusid küljepaneelid, millel omakorda asusid päikesepaneelid, päikesesensorid ja elektronikahurid. Ühel küljepaneelil asus ka pool antennide stardiaegseks fikseerimiseks, vastaspaneelil aga avad pardakaamera ja päikesepurje traadi jaoks. Raami sees asuvad trükkplaadid satelliidi alamsüsteemide elektroonikaga olid ühendatud omavahel ning raamiga nelja keermestatud teraspulga abil. Alamsüsteemid olid omavahel ühendatud pistikute-pesadega, milles on neljas reas kolmkümmend viiku. Raami ja küljepaneelide disain oli satelliidi struktuuri alamsüsteemi (lühend STR) ülesanne, see valmis suures osas Tallinna Tehnikaülikooli üliõpilase Paul Liiase bakalaureusetööna.
Satelliidi töö seisukohast üks olulisemaid süsteeme oli elektritoite alamsüsteem (lühend EPS), mille ülesandeks oli koguda päikesepaneelidelt elektrienergiat, seda salvestada ja jagada teistele alamsüsteemidele. Kui satelliit orbiidile toimetamise järel kanderaketilt eemale tõugatakse, käivitub esimesena just elektritoite alamsüsteem. Käivitunud EPS pidas ajaarvestust alates satelliidi eraldumisest ning ettemääratud aja pärast avas raadioantennid ning alustas teiste alamsüsteemide sisselülitamisega. Ka satelliidi töö jooksul kontrollis just see alamsüsteem kõigi teiste alamsüsteemide tööd, võimaldades näiteks mingil põhjusel probleeme tekitavaid alamsüsteeme välja lülitada. Elektritoite alamsüsteemi üheks ülesandeks oli ka raadiomajaka saatmine, seda isegi sel juhul, kui teised olulised alamsüsteemid ei peaks töötama. Disainilt oli ESTCube-1 elektritoite süsteem küllalt uudne, seal kasutatud lahendused on pakkunud huvi ka teiste satelliidimissioonide meeskondadele. Elektritoite alamsüsteemi loomisse panustasid üliõpilased oma bakalaureuse- ja magistritööde raames, lõpliku disaini teostas suures osas Erik Ilbis oma Tartu Ülikooli bakalaureusetöös.
Lisaks EPS-ile on olemuslikult väga oluline kommunikatsiooni alamsüsteem (lühend COM), mis võimaldab suhtlust satelliidiga. ESTCube-1 COM oli disainitud väga minimalistlikuna, pidades silmas eesmärki, et COM peab töötama teiste alamsüsteemide jaoks läbipaistvana. Kommunikatsiooni alamsüsteem kasutas sidepidamiseks kahte suure integratsiooniastmega mikroskeemi ADF7021-N ning väga madala energiatarbega MSP-perekonna mikroprotsessorit. Tavapärase andmeedastuskiiruse 9600 bitti sekundis korral suudab satelliit ideaaljuhul edastada ligikaudu 62 kilobaiti andmeid minutis. ESTCube-1 kommunikatsiooni alamsüsteemi kiire andmeside osa valmis põhiliselt Tallinna Tehnikaülikooli üliõpilase Andres Vahteri magistritööna.
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 oli disainitud nii riist- kui ka tarkvaraliselt dubleerituks. Riistvaraliselt olid dubleeritud protsessorid, tarkvaraliselt aga andmete salvestamine satelliidi pardal. Olles põhiline satelliidi tööd koordineeriv süsteem, tegeles CDHS ka arvutustega satelliidi asendi ja pöörlemiskiiruse määramiseks, selleks kasutati STMicroelectronics ARM Cortex M3 perekonda kuuluvaid protsessoreid.
Asendi määramisega seotud arvutusteks vajalikud andmed laekusid jooksvalt satelliidi asendi halduse ja kontrolli alamsüsteemist (lühend ADCS), millel ei olnud oma mikrokontrollerit. Siiski oli sellel alamsüsteemil satelliidis oma trükkplaat, millel paiknesid magnetomeetrid, güroskoobid ning päikesesensorite kasutamiseks vajalikud analoog-digitaalmuundurid. Hinnanguliselt suudeti nende abil satelliidi asendit Päikese suhtes määrata 2,5-kaarekraadise täpsusega, seda umbes 10 korda sekundis.
Varem kirjeldatud alamsüsteemid olid vajalikud satelliidi töötamiseks ja kontrollimiseks, lisaks neile oli pardal veel kaks alamsüsteemi: kaamera alamsüsteem (lühend CAM) ja eksperimendi alamsüsteem (lühend PL).
Satelliidi pardal oli värvilise CMOS-sensoriga kaamera, mis võimaldab teha VGA-lahutusega RAW-formaadis pilte. ESTCube-1 pardakaameras kasutati 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 võimaldas teha pilte Maast ning eksperimendi kulgemisest, aga ka piltide abil kalibreerida satelliidi teisi asendiandureid. Tõstmaks pildistamise efektiivsust, suutis CAM alamsüsteem analüüsida pilte mõningal määral ka pardal ning võtta vastu otsuseid tehtud pildi kvaliteedi kohta. Vajadusel oli võimalik koostada ka suure dünaamilise ulatusega pilte. CAM oli kahtlemata kõige rohkem korraga andmeid tootev ESTCube-1 alamsüsteem, ühe 10-bitise heleduslahutusega pildi maht oli ligi 600 kB. Tehtud pilte oli võimalik pikemalt hoida CDHS-i salvestusseadmetes, maksimaalses mahus kuni 16 megabaiti. ESTcube-1 kaamera valmis suures osas Tartu Ülikooli üliõpilase Henri Kuuste bakalaureusetööna.
Satelliidi teaduslik missioon sõltus eksperimendi alamsüsteemist (PL), mis paiknes mitmes kohas satelliidis. Eksperimendiks vajalik mehaaniliste seadmete komplekt asus satelliidi keskmises sektsioonis ja koosnes ultrahelimootorist koos sellele kinnitatud pooliga päikesepurje traadiga, traadi otsas olevast (stardil lukustatud) raskusest ning neid kõiki koos hoidvast ümbrisest. Päikesepurjeeksperimendi käigus kasutatud kõrgepinge toodeti satelliidi eraldi sektsioonis. Kõrgepingeallikas oli ühendatud satelliidi ülemisel ja alumisel küljepaneelil asunud nanotehnoloogiliste elektronikahuritega, mis valmistati Soomes Jyväskylä Ülikoolis. Teadusliku eksperimendi valmismisse panustasid Soome Meteoroloogiainstituut, Jyväskylä Ülikool, Helsingi Ülikool, Saksa kosmoseagentuur DLR ja Tartu Ülikool.
Satelliidi missiooni tugiüksusteks võib lugeda Maal asuvaid satelliitsidejaama (lühend GS) ja tarkvaralist missioonijuhtimiskeskust (lühend MCS). Nende ülesanne oli võimaldada raadiosidet satelliidiga (GS) ning sideseansside planeerimist ja satelliidile käskude saatmist ning Maale tulevate vastuste analüüsimist (MCS). Kahepoolset sidet satelliidiga peeti Tartu Ülikooli ja Tartu Observatooriumi satelliitsidejaamadest, kuid vastuvõtuga panustavad ka mitmed raadioamatöörid üle Euroopa. Missioonijuhtimiskeskuse tarkvara töötati välja vabavaralisel platvormil Hbird põhiliselt Tartu Ülikooli informaatikaüliõpilaste poolt, firma CGI juhendamisel. Satelliitsidejaamade käivitamises osalesid mitmed Eesti Lennuakadeemia õppurid.
Tarkvara.
ESTCube-1 mikrokontrollerites kasutati järgmisi operatsioonisüsteeme:
Maa peal kasutatakse satelliidi töö juhtimiseks valdavalt Javas kirjutatud programme ning satelliidimissioonide juhtimiseks sobivat tarkvaralist raamistikku Hbird, mille arendasid Tartu Ülikooli informaatikaüliõpilased firma CGI juhendamisel ja toel.
Päikesepaneelid.
ESTCube-1 päikesepaneelide valikul konsulteeriti Ålborgi Ülikooli tudengisatelliite töörühmaga, ning nende suhteliselt lühikese kestvusega satelliidimissioonide kogemusele tuginedes ei kasutatud katteklaasidega päikesepaneele.
Päikesepaneelide energiatootlikkuse vähenemine oli üks olulisemaid muresid kogu missiooni jooksul. Esimese kahe kuuga langes päikesepaneelide tootlikkus väga kiiresti, pärast seda oli langus aeglasem. Arvatavasti oli languse põhjuseks kaitseklaasi puudumine, mille tõttu tekkisid paneelides kiirguskahjustused. Kahtlustatakse ka kahjustusi satelliidi käitlemise ja kokkupanemise ajast. Siiski ei oleks tohtinud ainult kiirguse ja käitlemise kahjustused põhjustada nii suurt energiatootlikkuse langust. Samasugused probleemid tekkisid ka täpselt sama tehnoloogiat ja päikesepaneelide tüüpi kasutanud AAUSAT3 korral.
Energiatootlikkuse languse tõttu tuli kasutada satelliidi säästurežiimi, kus kõik alasüsteemid peale EPS-i olid välja lülitatud ja ülejäänud energiat sai kasutada akude laadimiseks.
Sidepidamine satelliidiga.
Satelliidilt andmete Maale edastamiseks kasutati kahte IARUs registreeritud sagedust:
Perioodiline, kuid väga aeglane (18 sõna minutis) andmeedastus toimus telegraafisignaaliga sagedusel 437,250 MHz. Sel viisil edastati automaatselt kõige olulisemaid satelliidi parameetreid iga kolme kuni viie minuti tagant. Näide nn turvarežiimis telegraafimajakaga saadetud 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 kasutati FSK-modulatsiooniga raadiosignaali sagedusel 437,505 MHz, andmeedastuskiirusega 9600 bitti sekundis, kasutades AX.25 pakettside standardit. Võrdlemisi aeglase andmete ülekandekiiruse põhjuseks oli amatöörraadio sagedusala kasutamine, milles sidekanali maksimaalseks lubatud ribalaiuseks on 25 kilohertsi. Kiire andmeedastus toimus vaid satelliidile saadetud vastavate käskude järel.
Telegraafisignaaliga saadetava majakainfo vahele oli satelliit normaalses töörežiimis olles võimeline edastama perioodiliselt ka lühikesi AX.25-pakette andmeedastuskiirusega 9600 bitti sekundis, mis sisaldasid infot satelliidi alamsüsteemide hetkeolukorra kohta. Energia kokkuhoiu eesmärgil pakettmajakas vaikimisi ei töötanud.
Satelliidile käskudele saatmiseks kasutati 145 MHz amatöörraadio sagedusi.
Rahastamine ja maksumus.
Odavaimat võimalust satelliidi kosmosesse viimiseks pakkus Euroopa Kosmoseagentuur. Kuna Eesti oli ESA assotsieerunud liige, siis kaeti stardikulud (u 70 000 eurot) suuremalt jaolt Eesti liikmemaksus sisalduvatest hariduskuludest. Koos üleslennutamisega olid projekti kulud kokku umbes 100 000 eurot.