TIIVISTELMÄRAPORTTI (SUMMARY REPORT)

Transkriptio

1 2012/MAT822 ISSN (verkkojulkaisu) ISBN (PDF) TIIVISTELMÄRAPORTTI (SUMMARY REPORT) Nanosatelliittien kehitys maanpuolustuksen näkökulmasta Tiivistelmä Martti Hallikainen, Jaan Praks, Antti Kestilä, Antti Näsilä, Tuomas Tikka, Martin Neerot Radiotieteen ja -tekniikan laitos, Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulu PL 13000, AALTO Tämän hankkeen tavoitteena on tuoda Suomen nanosatelliittialan kehitys puolustusvoimien tietoon ja varmistaa että maanpuolustuksella on paras mahdollinen tietämys nanosatelliittialan kehityksestä, mahdollisuuksista ja myös sen tuomista uhista. Lisäksi varmistetaan alan asiantuntemuksen kehitys Suomessa. Tässä raportissa annetaan yleiskuva pienten, alle 100 kg avaruuslaitteiden kehityssuunnista, käyttömahdollisuuksista sekä kartoitetaan Suomen valmiuksia kehittää ja laukaista omia pieniä satelliitteja tulevaisuudessa. Erityisesti keskitytetään nanosatelliittien (1 10 kg) kehitykseen koska Suomessa on äskettäin aloitettu kaksi kotimaista nanosatelliittiprojektia. Raportissa pohditaan nanosatelliittialan nopean kasvun syitä ja seurauksia sekä kartoitetaan kotimaista nanosatelliittiteknologiaa, sen käyttömahdollisuuksia ja tulevaisuudennäkymiä. Raportin yhteenvedossa korostetaan, että vaikka nanosatelliitit ovat vielä tällä hetkellä pieni ja marginaalinen avaruustekniikan ala, sen kehityksellä on todennäköisesti kauaskantoisia vaikutuksia avaruuden hyödyntämisen ja kansainvälistymisen osalta. Nanosatelliittien kehitys pienentää merkittävästi avaruustekniikan kustannuksia sekä valmistuksen, että laukaisun puolella. Kehittyvien pienten laukaisualustojen, satelliittien sarjatuotannon ja piensensoriteknologian kehittyessä merkittävästi laajempi joukko toimijoita ryhtyy hyödyntämään avaruustekniikkaa. Kehityksen tuloksena avaruustekniikan käyttö laajenee sekä siviili että sotilaspuolella erilaisissa kartoitus ja kommunikaatiotehtävissä. On nähtävissä että pienten edullisten laitteiden ansiosta satelliittikonstellaatiot ja laumasatelliitit yleistyvät. Nanosatelliittien kehitys on jo nyt tuonut maailmankartalle useita uusia valtioita, jotka operoivat omaa avaruusalusta ja Suomi liittyy siihen joukkoon pian. 1. Johdanto Nanosatelliitit ovat nopeasti yleistyviä pieniä avaruuslaitteita, joiden rakentamisen, laukaisemisen ja operoinnin kustannukset ovat vain murto-osa perinteisten satelliittien kustannuksista. Tästä syystä nanosatelliittien kehittäminen on kiinnostanut ensisijaisesti yliopistoja ja harrastajia. Suuri määrä onnistuneita missioita ja laitteiden nopea kehitys on kuitenkin herättänyt myös laajemman kiinnostuksen, ja nykyään nanosatelliitteja kehittää myös esimerkiksi NASA ja lukuisat sotilasinstituutiot ympäri maailmaa. Nanosatelliitin nopea valmistusaikataulu ja alhaiset laukaisukustannukset mahdollistavat täysin uudentyyppisiä käyttöjä avaruuslaitteille. Nanosatelliiteiksi luokitellaan maata kiertävät avaruuslaitteet, joiden paino on suurempi kuin 1 kg, mutta pienempi kuin 10 kg. Suuremmat satelliitit (<100 kg) luokitellaan mikrosatelliiteiksi ja pienemmät (<1 kg) pikosatelliiteiksi. Usein puhutaan piensatelliiteista, joilla tarkoitetaan yleensä kaikkia pienempiä kuin 500 kg satelliitteja. Näin pienet avaruuslaitteet eivät ole uusi keksintö. Ensimmäiset nanosatelliitit laukaistiin jo avaruusaika- Postiosoite MATINE Puolustusministeriö PL HELSINKI Sähköposti matine@defmin.fi Käyntiosoite Puhelinvaihde Eteläinen Makasiinikatu HELSINKI (09) WWW-sivut Y-tunnus FI Pääsihteeri (09) OVT-tunnus/verkkolaskuosoite Itellan operaattorivälittäjätunnus Suunnittelusihteeri Toimistosihteeri (09) Faksi kirjaamo (09) Verkkolaskuoperaattori Yhteyshenkilö/Itella Itella Information Oy helpdesk@itella.net

2 kauden alussa, kun rakettien kantokyky oli pieni ja suurempia laitteita oli vaikea toimittaa kiertoradalle. Rakettiteknologian kehityttyä, satelliittien koko kuitenkin kasvoi nopeasti ja hyvin pienet avaruuslaitteet unohdettiin. Yli 30 vuotta ensimmäisten nanosatelliittien jälkeen, nanosatelliitteja ryhdyttiin kehittämään yliopistoissa. Pienen kokonsa ansiosta satelliittien laukaisukustannukset pysyivät kurissa. Samalla moderni digitaalinen elektroniikka ja yhä pienenevä sensoriteknologia mahdollistaa monimutkaisten mittauksien tekemisen. Ensimmäiset avoimet satelliittistandardit kehitettiin myös yliopistoissa. Yksi menestyneimmistä yliopistosatelliittistandardeista, CubeSat, kehitettiin Stanfordin ja Kalifornian polyteknisessä yliopistoissa 90-luvun lopussa. CubeSat-standardi määrittää satelliitin koon ja liittymän laukaisualustaan, ja on mahdollistanut joustavan laukaisumarkkinan kehittymisen. Nykyään CubeSat-standardin mukaisia satelliitteja on laukaistu yli 60, yli 100 uutta CubeSat:ia on rakenteilla ja useita pieniä maita on saanut oman satelliitin ensimmäistä kertaa avaruuteen. Uusia avaruusmaita CubeSat-standardin ansiosta ovat esimerkiksi Puola, Unkari ja Sveitsi. Yhteinen standardi on kiihdyttänyt myös alan tutkimusta, CubeSat konferensseja ja tapaamisia järjestetään ympäri maailmaa joka vuosi. Pienet avaruuslaitteet ovat merkittävästi hyötyneet modernin digitaalitekniikan ja nanotekniikan kehityksestä. Jo muutaman kilogramman kokoiseen avaruuslaitteeseen mahtuu kolmen akselin stabilointi, useita mittalaitteita sekä tehokas tietokone ja kommunikaatiolinkki. Usein vanhojen satelliittien toiminnallisuus voidaan korvata pienemmillä satelliiteilla. Nanosatelliittien pieni koko asettaa kuitenkin rajoituksia esimerkiksi aurinkopaneelien, optiikan ja antennin koolle. Yksittäisen satelliitin pienestä koosta johtuvia ongelmia on osittain mahdollista ratkaista käyttämällä useampaa satelliittia. Nanosatelliittien konstellaatiot ja verkostot tarjoavat aivan uusia mahdollisuuksia ja ovat aktiivisen tutkimuksen kohde. Satelliittien rakennuskustannusten vähentämiseksi käytetään standardisointia, kaupallisia alijärjestelmiä ja sarjatuotantoa. Usein nanosatelliiteissa käytetään myös halvempia elektroniikkakomponentteja, joita käytetään myös kuluttajaelektroniikassa. Nanosatelliittien tuomia mahdollisuuksia tutkitaan aktiivisesti myös sotilaskäyttöön. Tässä raportissa esitetään lyhyt katsaus pien- ja nanosatelliittien yleisiin kehityssuuntiin ja arvioidaan kehityksen tuomia mahdollisuuksia ja uhkia. Raportissa käsitellään pääosin nanosatelliitteja mutta myös laajemmin piensatelliitteja. Tekniikan jatkuvan miniatyrisoinnin takia tarkan luokittelun tekeminen ei ole tarpeellista. 2. Tutkimuksen tavoite ja suunnitelma Tutkimuksen päämääränä on antaa yleiskuva nanosatelliittien kehityksestä kansainvälisellä tasolla sekä kuvata alan kehittymistä Suomessa. Työ on tehty pääosin Aaltoyliopiston opiskelijoiden ja jatko-opiskelijoiden toimesta Aalto-1 ja Aalto-2 satelliittien kehitystyön ohessa. Työn aikana ohjattiin useita kandidaatin- ja diplomitöitä nanosatelliittien kehityksestä sekä tehtiin useita erikoistöitä. 3. Aineisto ja menetelmät Tutkimuksessa käytetty tieto on kerätty pääosin kansainvälisiltä konferensseilta, tieteellisistä julkaisuista, Internetistä sekä yliopistosatelliittien rakentajien laajasta verkostosta. Tutkimuksen osana kirjoitettiin kandidaatintyö nanosatelliittien kehityssuunnista, kandidaatintyö nanosatelliittien propulsioratkaisuista ja nanosatelliittien energiajärjestelmistä.

3 Tutkimuksen aihepiiriin kuului myös osa diplomityöstä, jossa käsiteltiin nanosatelliittien optisten instrumenttien resoluutiota, osa diplomityöstä, jossa käsiteltiin nanosatelliittien tietoliikenneratkaisuista, sekä erikoistyö ohjelmistoradion käytöstä satelliiteissa ja maaasemissa. Tutkimusryhmä julkaisi useita konferenssijuttuja aiheesta. 4. Tulokset ja pohdinta Nanosatelliittien kehityssuuntia Nanosatelliittien tärkeimmät ominaisuudet ovat edullinen hinta, suhteellisen nopea kehitysaika ja edulliset laukaisukustannukset. Tästä johtuen nanosatelliitit soveltuvat erinomaisesti konstellaatioihin, laumasatelliittimissioihin ja missioihin, joita laukaistaan vain tarvittaessa. Nanosatelliittien edullisuuden mahdollistavat standardisointi, modulaarinen suunnittelu ja kaupalliset pieninä sarjoina valmistettavat alijärjestelmät. Esimerkkinä voidaan käyttää CubeSat-standardin menestystä. CubeSat-standardi määrittää ainoastaan satelliitin koon ja muodon sekä liittymän laukaisualustaan. Standardin ympärille on kehittynyt uusia standardeja ja käytäntöjä alijärjestelmille jopa siinä määrin että CubeSat-järjestelmiä voidaan ostaa verkkokaupasta eri valmistajilta ja yliopistoilta. Yhteinen satelliittistandardi on kehittänyt myös markkinat CubeSat-laukaisuille. Koska sateliitit sopivat kaikki samaan irroituslaitteeseen, useat laukaisijat tarjoavat laukaisuja CubeSat-tyyppisille satelliiteille. Tämä kehitys viittoaa tietä myös muulle avaruustekniikalle. Standardisointi, sarjatuotanto ja miniatyrisointi mahdollistavat avaruuslaitteiden huomattavasti laajemman käytön tulevaisuudessa ja ovat avaruustekniikan kehittymisen avainasemassa. Laukaisumahdollisuudet Tärkein tekijä, joka mahdollistaa ja samalla myös rajoittaa pienten satelliittien kehitystä on pääsy kiertoradalle. Suuri osa raketeista, jotka toimittavat satelliitteja kiertoradalle ovat liian suuria ja kalliita pelkästään nanosatelliittilaukaisuihin. Isojen satelliittien laukaisujen yhteydessä kuitenkin löytyy usein tilaa myös pienelle yliopistosatelliitille ja rakettilaukaisuja operoivat yhtiöt ovat usein halukkaita myymään ylimääräistä tilaa suhteellisen edullisesti. Neuvotteluprosessi on kuitenkin sen verran mutkikas, että neuvottelut hoitavat tavallisesti välitysfirma, jolla on kokemusta alalta. Tällä hetkellä yhden kilogramman toimittaminen LEO-radalle maksaa noin henkilöauton hinnan. Hinta on kuitenkin tapauskohtainen ja voi olla huomattavasti kalliimpikin. Tämän tyyppiset laukaisut ovat yliopistosatelliiteille erinomainen mahdollisuus päästä maata kiertävälle radalle, mutta laukaisujen aikataulu ja rata suunnitellaan ainoastaan päähyötykuorman ehdoilla. Näin ollen yhteislaukaisut eivät sovellu kovin hyvin kaupallisille tai sotilaallisille satelliiteille. Joskus on laukaistu myös useita nanosatelliitteja yhdessä, mutta silloinkin rata ja aikataulu täytyy neuvotella usean osapuolen kesken. Vaikka isoillakin avaruusorganisaatiolla on nykyään pienempiä raketteja, kuten Vega (ESA) ja Falcon 1 (SpaceX, USA), ovat ne kuitenkin liian suuria yksinomaan nanosatelliittien laukaisemiseen. Yksi mahdollisuus on käyttää modifioituja ballistisia ohjuksia satelliittien laukaisuun. Ehkä tunnetuin tämäntyyppisistä raketeista on venäläinen Shtil, joka on modifioitu R-29M ohjus. Shtil-raketin kantokyky on noin parisataa kiloa ja sillä on menestyksekkäästi laukaistu avaruuteen useita satelliitteja. Raketti valittiin myös eurooppalaisen QB50-nanosatelliittiverkoston laukaisemiseksi. Shtil-raketin käyttö siviililaukaisuihin on kuitenkin toistaiseksi jäädytetty. Jotta nanosatelliittiala voisi kasvaa, pienet satelliitit tarvitsevat edullisia ja joustavia lau-

4 kaisualustoja ja useita siviili- ja sotilasprojekteja on kehittämässä siihen ratkaisuja. Yhtenä esimerkkinä voidaan mainita MNMS (Multipurpose Nano Missile System) jonka tavoitteena on luoda järjestelmä, jolla voitaisiin laukaista pieni satelliitti 24 tunnin varoitusajalla. Järjestelmä mahdollistaisi laukaista satelliitteja tarvittaessa, korjata nopeasti suurempia satelliittikonstellaatioita tai parantaa olemassaolevaa kapasiteettia alueellisesti. Järjestelmä perustuu muunneltavaan ohjukseen, jonka kantokyky LEO-radalle on noin kg. Yhden laukaisun hinnaksi arvioidaan 1 miljoona dollaria. Toinen huomioarvoinen projekti, ALASA (Airborne Launch Assist Space Access) käyttää lentokonetta raketin nostamiseksi ilmakehän tiheämpien osien yläpuolelle. Tämä järjestelmä antaisi huomattavaa joustavuutta myös laukaisupaikan valinnassa. Projekti tähtää ensimmäisiin koelaukaisuihin Pieni raketti, mitä laukaisuun käytetään, käyttää todennäköisesti nestemäistä polttoainetta ja lentokoneena käytetään F15, F22 tai White Knight 2 lentokonetta. Generation Orbit niminen yhtiö väittää, että jo nykyisiä laitteita yhdistämällä voitaisiin toimittaa 20 kg hyötykuorma noin 250 km korkuiselle radalle melko edullisesti. Nanosatelliitit tietoliikenne ja tarkkailutehtävissä Kuten edellisessä osiossa kuvattiin, nanosatelliitteja voidaan lähitulevaisuudessa laukaista radalle suhteellisen edullisesti ja lyhyellä varoitusajalla. Kaupallisia piensatelliitteja tarkkailutehtäviin on saatavilla jo nyt. Esimerkiksi englantilainen Surrey Satellite Technology Ltd. tarjoaa pieniä satelliitteja, joissa on optisia ja infrapunakameroita sekä pian myös tutkalaitteita. Optisten laitteiden resoluutiota rajoittaa oleellisesti optisen teleskoopin koko ja siksi pienten satelliittien kuvaresoluutio on 3-4 metrin luokkaa. Tutkainstrumenttien implementointi nanosatelliitteihin on toistaiseksi vielä melko haastavaa, koska satelliitin koko rajoittaa käytössä olevan energian määrää ja antennien kokoa. Avattavat aurinkopaneelit ja antennit mahdollistavat kuitenkin todennäköisesti myös tutkalaitteiden käytön tulevaisuudessa koska UAV alustoilla operoidaan jo nyt hyvin pieniä tutkia. Taktisen satelliitin tavoitehinnaksi on asetettu tällä hetkellä noin tuhatta dollaria ja kehitysajaksi yksi vuosi. Nämä tavoitteet onnistuttiin saavuttamaan esimerkiksi yhdysvaltojen armeijan projektissa SMDC-ONE (Space & Missile Defense Command-Operational Nanosatellite Effect), missä käytettiin CubeSat-alustaa satelliittien kehittämisen pohjana. Projektissa laukaistiin menestyksekkäästi useita satelliitteja ja osoitettiin satelliittien toimintakyky ja hyöty. Edullinen hinta mahdollista satelliittien laukaisemisen lyhyellä varoitusajalla ja melkein reaaliaikaisen kuvatiedon välittämisen kentälle. DARPA:n SeeMe-projekti tavoittaa piensatelliittikonstellaatiolla, joka voisi toimittaa tarvittaessa kuvaa 90 min varoitusajalla mistä tahansa maailman osasta. Tämä saavutetaan käyttämällä noin 24 satelliittia hyvin matalalla kiertoradalla, missä satelliitin elinikä on vain noin 90 päivää. Sellainen konstellaatio on mielekäs ainoastaan kun yksittäisen satelliitin hinta on tarpeeksi alhainen ja laukaisut edullisia. Suunnitelman mukaan konstellaation yksittäinen satelliitti painaisi vain muutamia kymmeniä kiloja ja sen hinta voisi olla alle puoli miljoona dollaria. Vielä lyhyempää, jopa reaaliaikaisen kuvan ja videokuvan toimittamista taistelukentälle suunnitellaan Kestrel Eye ja Small Agile Tactical Spacecraft projekteissa. Edullisen hintansa ja laukaisun ansiosta nanosatelliitti voidaan sijoittaa hyvin matalalle radalle, jolloin se pääsee lähemmäksi kohdetta ja yltää näin parempaan tarkkuuteen myös pienemmällä kalustolla. Matalalla kiertoradalla on myös vähemmän elektroniikalle haitallista säteilyä ja halvempien komponenttien käyttö on mahdollista. Nanosatelliittien tietoliikenne ja verkostot Kuten jo aikaisemmin mainittiin, nanosatelliittien dimensiot, jotka ovat tyypillisesti pie-

5 nempiä kuin 0,5 m, rajoittavat hyvin paljon käytettävien antennien kokoa ja siten myös tietoliikennenopeuksia. Hyvin suuntaavien ja tehokkaiden antennien rakentaminen on erittäin haastavaa ja usein käytetäänkin ympärisäteileviä tai puoliavaruuteen säteileviä antenneja. Tällä hetkellä CubeSat-nanosatelliitit käyttävät enimmäkseen VHF- ja UHFamatööriradiotaajuuksia, joiden avulla saavutettavat tietoliikennenopeudet rajoittuvat kymmeniin tai satoihin kilobitteihin sekunnissa. Enenevässä määrin hyödynnetään myös S-kaistaa (2,4 GHz), jonka avulla voidaan nostaa tietoliikennenopeudet 1 Mb/s luokkaan. Korkeampien taajuuksien käyttö on nanosatelliiteissa hankalaa, koska tarpeeksi tehokkaat suuntaavat antennit eivät mahdu kyytiin. Piensatelliittien propulsio ja liikuvuus Piensatelliittien propulsioratkaisut ovat aktiivisen tutkimuksen kohteena monesta syystä. Satelliitin moottorilla voidaan oleellisesti pidentää satelliitin käyttöikää, kun satelliitti on hyvin matalalla radalla, moottorilla voidaan myös toteuttaa ratamuutoksia, ohjata satelliitti toisen satelliitin viereen suorittamaan tarkkailutehtävää tai jopa ohjata kaksi satelliittia törmäyskurssille. Laaja tutkimusala on myös usean satelliitin muodostelmalennot, joiden avulla voitaisiin käyttää uusia kuvaustekniikoita. CubeSat-standardi ei salli käytännössä kemiallisten polttoaineiden käyttöä, joten yliopistojen käyttämät propulsioratkaisut rajoittuvat sähköiseen propulsioon tai kylmäkaasujärjestelmiin. Oman luokkansa muodostavat purje- ja liekajärjestelmät, joilla usein tähdätään satelliitin nopeuden vähentämiseen. Tällä hetkellä saatavilla olevat järjestelmät CubeSateille ovat hyvin tehottomia eivätkä sovellu esimerkiksi satelliitin radan inklinaation muuttamiseen. Satelliitin ratakorkeutta voidaan kuitenkin nostaa jopa 100 km nykyisillä sähköisillä järjestelmillä jo lisätä oleellisesti matalalla radalla olevien satelliittien operointiaikaa. Nanosatelliitit Suomessa Suomi on panostanut avaruusalalla pääosin yhteistyöprojekteihin, eikä omaa satelliittia ole lähdetty rakentaman. Hiljattain Aalto-yliopisto aloitti CubeSat-tyyppisen nanosatelliittiprojektin jonka tarkoituksena on laukaista ensimmäinen suomalainen satelliitti. Satelliitti valmistuu pääosin opiskelijatyönä ja sen nimi on Aalto-1. Satelliitti painaa 4 kiloa ja siinä on kolme hyötykuormaa, asennonsäätöjärjestelmä ja edistynyt kolmen kanavan radiolinkki. Projektiin osallistuu laaja konsortio suomalaisia tutkimusryhmiä ja opiskelijaryhmiä eri yliopistoista. Projektia koordinoi Aalto-yliopisto. Vuoden 2012 alusta aloitettiin myös toinen nanosatelliittiprojekti nimeltään Aalto-2, joka tähtää kansainvälisen QB50- projektin osaksi. Aalto-1 satelliittiprojekti Aalto-1 on opiskelijasatelliittimissio, joka tähtää satelliitin laukaisuun vuonna Projekti alkoi vuonna 2010 opiskelijoiden ryhmätyönä ja on kasvanut laajaksi projektiksi, johon osallistuu yli 40 Aalto-yliopiston opiskelijaa, jatko-opiskelijoita ja useita tutkimusinstituutteja. Satelliitin hyötykuormat valmistavat VTT, Ilmatieteen laitos, Helsingin yliopisto ja Turun yliopisto. Satelliitti suunnitellaan ja rakennetaan pääosin opinnäytetöinä ja erikoistöinä. Projektiin osallistuu useita Aalto-yliopiston kouluja. Projektia tukee konsultoinnilla myös suomalainen teollisuus. Aalto-1 satelliitin missio

6 Aalto-1 päätehtävä rakentaa ensimmäinen suomalainen satelliitti ja tehdä teknologiademonstraatio kolmelle hyötykuormalle. Päätehtävä on teknologiademonstraatio AASI kuvaavalle spektrometrille (VTT), joka on mullistavan pieni kaukokartoituslaite. Toinen tehtävä on demonstroida pienen RADMON säteilymittarin toiminta (Helsingin yliopisto ja Turun yliopisto). Kolmantena tehtävänä kokeilla sähköpurjeen soveltuvuutta (Ilmatieteen laitos) satelliitin hidastamiseksi ja tuomiseksi alas radalta. Aalto-1 satelliitti Aalto-1 sateliitin päähyötykuorma on VTT:n kehittämä pieni kuvaava spektrometri AASI. Spektrometri painaa noin 400 g ja pystyy mittaamaan kapeita spektrikanavia optiselta alueelta. Laite käyttää Fabry-Perot interferometrista optista suodatinta spektrikanavien erotteluun. Mitattavia spektrikanavia voidaan ohjelmoida maasta käsin. Satelliitin toinen hyötykuorma on RADMON säteilymittari joka mittaa sensoriin osuvien varattujen hiukkasten määrän, varauksen ja energian. Hiukkassäteily on haitallinen elektroniikalle ja siten säteilyolosuhteiden tunteminen on nanosatelliitteja suunnitelun kannalta hyvin tärkeää. Laiteen rakentavat ja tiedeohjelman suunnittelevat Helsingin ja Turun yliopistot. Kolmas hyötykuorma on nimeltään plasmajarru. Plasmajarrun toimintaidea perustuu Ilmatieteen laitoksessa keksittyyn sähköpurje-konseptiin. Jarru koostuu hyvin pitkästä (100 m) johtavasta langasta, jonka ympärille muodostetaan sähkökenttä. Sähkökentän ja yläilmakehän plasman vuorovaikutuksen seurauksena, satelliitin vauhti hidastuu ja satelliitti voidaan suistaa radalta nopeammin kuin ilman jarrulaitetta. Tämä on tärkeää avaruusromun vähentämiseksi tulevaisuudessa. Maa-asema Aalto-1 satelliitti käyttää radioamatööritaajuuksia ja on siten OSCAR satelliitti. Satelliittia operoidaan maa-asemalta, joka on tyypillinen radioamatööriasema. Maa-asema liitetään mahdollisuuksien mukaan kansainväliseen yliopistojen maa-asema-verkostoon. Projektin aikataulku ja laukaisu Aalto-1 satelliitti on tarkoitus laukaista vuonna Sopivaa laukaisijaa ei ole kuitenkaan vielä löydetty. Projektin CDR (Critical Design Review) on suunniteltu keväälle Aalto-2 projekti Aalto-2 on ilmakehän tutkimukseen keskittyvä nanosatelliitti, joka osallistuu kansainväliseen QB50-satelliittiprojektiin. Satelliitin kehitystä koordinoi Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulun Radiotekniikan ja tieteen laitos ja sen rahoittaa TEKES. Satelliitti perustuu CubeSat standardiin ja on 2U kokoluokkaa. Se rakennetaan pääasiassa opiskelijavoimin käyttäen hyväksi yliopiston sisäistä osaamista. QB50-projektin tarkoituksena on lähettää 50 CubeSat-satelliittia ketjumaiseen muodostelmaan matalalle kiertoradalle 320 km korkeuteen. Satelliitit kantavat mukanaan standardoituja instrumentteja, joiden avulla mittauksia voidaan tehdä samanaikaisesti useasta kohtaa ilmakehää. Tällä menetelmällä pystytään tekemään pitkäaikaisia mittauksia paljolti tuntemattomasta alemman termosfääristä ja ionosfäärin alueesta. Ilmanvastuksen takia satelliittien kiertoradan korkeus laskee hiljalleen, jolloin myös alemmilta radoilta saadaan mittaustuloksia. Satelliittikonstellaatio on tarkoitus laukaista vuonna 2015 ja

7 satelliittien elinikä kiertoradalla tulee olemaan noin kolme kuukautta. Aalto-2 satelliitin mission kuvaus Aalto-2 projektin päätavoitteena on edistää avaruustekniikan opetusta Suomessa ja kansainvälistä yhteistyötä Euroopassa, sekä toteuttaa QB50 projektin tieteelliset tavoitteet. Satelliittiin asennetaan QB50-projektin tarjoama sensoripaketti ja muu osa satelliitista perustuu pitkälti Aalto-1 satelliittiprojektissa kehitettyihin ratkaisuihin. Myös muita hyötykuormia harkitaan: Miniatyrisoitu säteilymittari jatkaisi Aalto-1 projektissa saatuja mittauksia, sekä pienikokoisella salamadetektorilla voitaisiin demonstroida salamamittauksien toteutettavuutta nanosatelliiteista käsin. QB50 projektin tieteellisen tehtävän lisäksi, tarkoituksena on tehdä muodostelmalentoharjoitus virolaisen Tartun yliopiston ESTELLE-satelliitin kanssa. Tämä mahdollistaa referenssimittausten tekemisen QB50-projektille sekä ESTELLE-satelliitin kylmäkaasumoottorille. Myös satelliittien välistä tiedonsiirtoa on tarkoitus kokeilla VHF/UHF-radioilla. 5. Loppupäätelmät Elektroniikan pienentyessä, myös satelliittien kokoa voidaan pienentää. Sillä on huomattava vaikutus satelliittien laukaisukustannuksiin ja valmistukseen. Pien- ja nanosatelliitit hyödyntävät uusinta sensoritekniikkaa, standardoituja alijärjestelmiä, sarjatuotantoa ja kulutuselektroniikan komponentteja. Edullisuutensa ansiosta lukuisia uusia maita on laukaissut omia satelliitteja ja liittynyt näin avaruusvaltioiden joukkoon. Kehitys on ollut viimeisen vuosikymmenen aikana erityisien nopeaa yliopisto-satelliittien alalla ja sen perusteella voidaan ennustaa muutamia trendejä avaruustekniikan kehityksessä. Pienempien ja halvempien satelliittien myötä joukko uusia valtioita ryhtyy hyödyntämään avaruutta. Tämä tuo myös uusia kiinnostuksen kohteita ja uusia sopimuskumppaneita kansainvälisiin sopimuksiin. Ala myös kaupallistuu ja isot ylikansalliset yhtiöt ryhtyvät rakentamaan omia satelliittijärjestelmiä. Satelliittiteknologia arkipäiväistyy ja halpenee merkittävästi sarjatuotannon ansiosta. Suuri murros kuitenkin saavutetaan vasta kun kehitetään tarpeeksi pieniä ja edullisia laukaisuratkaisuja. Laukaisupuolella kehittyy myös standardeja, jotka helpottavat ja nopeuttavat laitteiden saamista avaruuteen. Laukaisutekniikkaa matalille kiertoradiolle yksityistyy. Nanosatelliitit tulevat toimimaan myös hyvin matalilla radoilla, 300 km alapuolella. Vaikka ilmakehän aiheuttama kitka rajoittaa mission kestoa, satelliitin halpa hinta kompensoi sitä. Edulliset satelliittisarjat ja edullinen laukaisu mahdollistaa myös taktisten satelliittien käytön ainoastaan silloin kun niitä tarvitaan. Se mahdollistaa huomattavat säästöt operointikustannuksissa ja voi tarjota tulevaisuudessa melkein reaaliaikaista tilannetietoa. Vaikka ensimmäisinä järjestelmiä kehittävät isot valtiot, tekniikka on pian myös pienempien valtioiden saatavilla. Laumasatelliitteja ja konstellaatioita, joilla voidaan osittain kompensoida satelliittien yksittäisten sensorien ja antennien pientä kokoa, tullaan käyttämään enenevissä määrin. Laumasatelliitit voivat suorittaa myös täysin uudentyyppisiä tehtäviä. Satelliittienvälinen kommunikaatio kasvaa ja samoin maanpäälliset verkostot tiivistyvät. Satelliitteja voi rakentaa myös avoimen lähdekoodin perusteella. Osaamisen kasvaessa on mahdollista myös että satelliittien hakkerointi muodostuu ongelmaksi. Pienten satelliittien yleistyessä täytyy ratkaista avaruusromuongelma ja taajuusallokaatio-ongelma. Se vaatii uusia kansainvälisiä sopimuksia.

8 Nanosatelliitit eivät tällä hetkellä muodosta uhkaa maanpuolustukselle, mutta satelliittiteknologian nopea kehitys on syytä ottaa huomioon uhkien ja mahdollisuuksien arvioinnissa. 6. Tutkimuksen tuottamat tieteelliset julkaisut ja muut mahdolliset raportit 1. A. Kestilä,T. Tikka, P. Peitso, J. Rantanen, A. Näsilä, K. Nordling, J. Praks, P. Janhunen, R. Vainio, H. Saari, M. Hallikainen, Science Operations of the Remote Sensing Nanosatellite Aalto-1 submitted to ESA 4S Symposium, Portoroz, 4 8 June, A. Näsilä, H. Saari, J. Antila, R. Mannila, A. Kestilä, J. Praks, H. Salo, M. Hallikainen, "Miniature Spectral Imager for the Aalto-1 Nanosatellite", in Proceedings of 4th European CubeSat Symposium, pp. 24, Ecole Royale Militaire, Brussels, 30 January 1 February, A. Kestilä, A. Näsilä, R. Modrzewski, M. Komu, A. Yanes, T. Nikkanen, A. Hakkarainen, T. Tikka, J. Praks, M. Hallikainen, H. Saari, J. Antila, R. Vainio and P. Janhunen, "Aalto-1, a Finnish Hyperspectral Remote-Sensing Nanosatellite: Current Progress", in Proceedings of 4th European CubeSat Symposium, pp. 46, Ecole Royale Militaire, Brussels, 30 January 1 February, R.M. Modrzewski, J. Holopainen, J. Praks and M. Hallikainen, "Highly Directional Patch Antenna for CubeSat Applications", in Proceedings of 4th European CubeSat Symposium, pp. 70, Ecole Royale Militaire, Brussels, 30 January 1 February, K. Nordling, N. Lahen, A. Hakkarainen, A. Kestilä, A. Näsilä, M. Komu, J. Praks, and M. Hallikainen, "A mechanical structure concept for 3U CubeSat nanosatellites", in Proceedings of 4th European CubeSat Symposium, pp. 129, Ecole Royale Militaire, Brussels, 30 January 1 February, J. Praks, A. Kestilä, M. Komu, S. Lan, O. Khurshid, O. Sami, T. Tikka, M. Oksman, A. Näsilä, M. Hallikainen, T. Pulkkinen, H. Saari, P. Janhunen, R. Vainio, Aalto-1 Nanosatellite Building Space Technology and Education in Finland, Physics Days 2012, The 46th annual meeting of the Finnish Physical Society, Joensuu, Finland, Winter, E.; Dahl, J.; Nordling, K.; Praks, J.;Kiviluoma, P.; Kuosmanen, P Development of tracking system for satellite ground station. Astronomers' Days 2012 (submitted). 8. O. Khurshid, J. Praks, A. Kestilä, T. Tikka Attitude Dynamics Analysis of Aalto-1 Satellite During De-Orbiting Experiment with Plasma Brake, 16TH Symposium On Small Satellite Missions (B4), 63rd IAC Naples, Italy. 9. Aleksi Walden, Esitutkimus mikropropulsioratkaisusta Aalto-2-nanosatelliitille, kandidaatintyö, Sähkötekniikan korkeakoulu, Aalto-yliopisto, Sam Haarto, Nanosatelliittien kehityssuunnat, kandidaatintyö, Sähkötekniikan korkeakoulu, Aalto-yliopisto, Johnny Finnholm, Design and Manufacturing of Solar Panels for CubeSat Application, kandidaatintyö, Sähkötekniikan korkeakoulu, Aalto-yliopisto, Tuomas Tikka, Attitude Determination and Control System Implementation for 3- Axis-Stabilized Nanosatellites, Diplomityö, Sähkötekniikan korkeakoulu, Aaltoyliopisto, 2012.