Satelliitide Maa seire missioon

Satelliitide Koit ja Hämarik põhiline missioon on Maa seire ja sellega seonduva tehnoloogia demonstratsioon. Selleks on satelliitidel kaamerad, pilditöötlus ja side maajaamaga. Kaameratena kasutame RGB kaamerat, mis näitab meile nähtava valguse värvilist pilti, ja NIR kaamerat, mis näitab lähi-infrapuna spektri infot. NIR on tehniliselt oluline taimestiku ja kliima monitooringuks. Pilditöötlus teeb satelliidil kindlaks, kas pilt õnnestus – ega ei ole liiga pilvine – ja valmistab pildi ette allalaadimiseks.
Koit
Satelliidi Koit demonstreerimine DATEL’is, kui koostööleping allkirjastati 30. mai 2019.

SIDE MAAJAAMAGA

Side maajaamaga toimub satelliitidel kahel viisil – 435.450 MHz sagedusel (kummalgi satelliidil) ja 10.460 GHz (Koit) ja 10.465 GHz (Hämarik) sagedusel. 435.450 MHz sagedusel toimub kahepoolne side – satelliit saadab oma põhiandmed ja infot alamsüsteemide seisundi kohta, maajaam saadab omakorda vastu info järgmise missiooni jaoks – millest järgmisena pilti teha ja millist katset järgmisena käivitada. 10.460-10.465 GHz sagedustel on võimalik alla laadida suuremat infokogumit – satelliitide poolt orbiidil tehtud pilte. Andmeside kiirus ei ole piisavalt suur, et saaks valimatult kõik pildid alla laadida, seetõttu peab satelliidil olev pilditöötluse süsteem otsustama, millised pildid on väärtuslikumad ja millised jätta järjekorras tahapoole. Satelliidi sideprotokoll on AX 25.

TEADUSKATSED

Lisaks Maa seire missioonile on satelliidil veel olulised teaduskatsed: arvutustehnika tõrkekindluse katse ja optilise side katse.

Andmeside tõrkekindlust katsetatakse ümber-programmeeritaval FPGA-kiibil. Sellel kiibil saab realiseerida erineva konfiguratsiooniga riistvara. Kosmos ei ole tava-elektroonikale väga sõbralik koht – päikeselt tuleva kiirguse tõttu tekivad mälus tihti juhuslikud biti muutused. Neid muutusi peab arvuti mälus ja ka protsessoris avastama ja vigu parandama. Koit ja Hämarik satelliitidel proovitakse FPGA-kiibil erinevaid uusi protsessori-arhitektuure ning mõõdetakse kui kindlad nad on juhuslikele biti muutustele.

Satelliitidel on ka optilise side katse jaoks paigaldatud LED’id ja laser-dioodid. Satelliidid saavad suunata need Eestist üle lendamise ajal Maa poole. Maajaama juhtiv meeskond püüab samal ajal teleskoobiga satelliidi liikumist jälgida. Kui satelliit vilgutab LED’e ja laserdioode, on võimalik teleskoobiga neid Maalt näha. Nii saab optiliste vahenditega satelliidilt infot maale saata. Distantsiks satelliidi ja maajaama vahel on vähemalt 500km, seega on väikese satelliidi saadetud optilist signaali raske püüda. Kui maajaamas teleskoobi külge ehitatud sensorid aga näevad LED’ide ja laser-dioodide vilkumist, saab seda info edastuse kiirust tõsta maksimaalse mõõdetavani. Selliselt hindab TalTech satelliidi meeskond optilise andmeside erinevaid mooduseid ja püüab vastata küsimusele – kas orbiidilt maale saadetud optiline signaal on parem teha koherentse valgusega – ehk laseriga – või mittekoherentse valgusega – ehk LED’idega.

Mehaanilised struktuurid

Mehaanikute ülesandeks on tagada satelliitide edukas kohale jõudmine orbiidile ja töövõime peale raketilendu.

Raketi lendamise ajal peab satelliit vastu pidama mehaanilistele löökidele ja vibratsioonidele. Kui satelliit on raketist välja visatud ja on üksi orbiidil, siis peab ta vastu pidama radiatsioonile ning äärmuslikele temperatuuridele.

Orbiidile jõudes avanevad satelliidi antennid ja päikesepaneelidega kaetud tiivad. Satelliidi puhul tuleb arvestada piirangutega, mille seavad mass, massikese, materjalid ja gabariitmõõtmed.

RGB+NIR kaamerad
Näha on orbiidil 500km kõrgusel üle Eesti lendava satelliidi kaamerate vaatenurk.

PARDAKAAMERA

Maa orbiidil on satelliidi missiooni põhieesmärgiks teha suhteliselt kõrge lahutusvõimega pildid (26–50 megapikslit). Lisaks sellele on satelliidi missiooni eesmärgiks ka maa vaatlus, põllumajandulik rakendus ja muu teaduslik tegevus. Loomulikult on kogu satelliidi missioonil ka hariduslik eesmärk.

Kaamera eesmärk:

Piksli suurus maapinnal on 50 m x 50 m (võttes arvesse läätse ja pildisensori piirangud).

Põhipiirangud:

Kaamera mass ja ruum satelliidis.

Pardakaamera parameetrid:

2x area scan tüüpi kaamera (kõrge lahutusvõimega lahendus). Pildisensor: mono/RGB Aptina MT9P031, 5 Mpx, piksli suurus 2,2 μm. Pildisensori ideaalne piksli suurus maapinnal on 26 m x 26 m.Lääts L-M12-1M50020S20 (Newelectronics technology (NET)); f = 50 mm ja apertuur = 2. Kaamera prototüübi mass on 198 g.

Kaamera
Satelliidi 2 kaamerat on optilika poolest identsed, aga üks on RGB sensoriga ja teine mustvalge sensoriga ja NIR filtriga

PÄIKESEPANEELID

Päikesepatareid on osa satelliidi toiteallikast, olles energiaallikaks satelliidi akude laadimisel. Ehkki satelliidis pole vähemtähtsaid alamsüsteeme, võib siiski öelda, et päikesepatareidel on täita väga tähtis roll kogu süsteemi tööks vajaliku energiaga varustamisel. Päikesepatareid peavad vastu pidama kosmoses levivale kiirgusele, ka erinevate laetud osakeste mõjule, säilitades seejuures minimaalse vajaliku väljundpinge toitesüsteemi laadimiseks satelliidi ekspluatatsiooni kestel. Kuna päikesepatareid katavad enamuse satelliidi väliskülgedest, on väga oluline, et need ei saaks ka füüsiliselt kannatada satelliidi orbiidile viimisel.

Koit

UHF transiiver, Ku saatja

Kommunikatsiooni alamsüsteem (COM) tagab side satelliidi ja maajaama vahel. Süsteemis on kaks erinevat raadiot. Esimene neist töötab UHF lainealas ja seda kasutatakse satelliidile korralduste edastamiseks (kaugjuhtimine) ja satelliidi seisukorra jälgimiseks (telemeetria). Teine raadio töötab 10 GHz diapasoonis ja seda kasutatakse satelliidi poolt tehtud piltide allalaadimiseks. Ilma side alamsüsteemita oleks satelliit täiesti "omapäi", puuduks võimalus satelliidi juhtimiseks ja selle poolt salvestatud andmete Maale toimetamiseks.

Raadiosaatja eraldab oma töö käigus lisaks raadiolainetele ka märkimisväärsel hulgal soojust. Maistes tingimustes kandub tekkinud soojus ümbritseva õhuga laiali, kuid kosmose vaakumis sellist jahutusviisi kasutada ei saa. Seega peab tekkinud soojuse juhtima satelliidi korpuseni, kust viimane omakorda soojuskiirgusena ilmaruumi eraldub.

Kommunikatsiooni moodul
Satelliidi raadiosüsteemi elektroonikaplaadi 3D mudel.

Elektrivarustus

TalTech poolt arendatud kuupsatelliitide üks olulisematest ja vastutusrikkamatest sõlmedest on selle toiteallikas (EPS - electrical power supply), mis peab tagama satelliidi kõikidele alamsüsteemidele stabiilse toitepinge +5V. EPS ammutab energiat päikeselt päikesepaneelide vahendusel, mida on kokku 9. Päikesepaneelid paiknevad kõigil tahkudel v.a. alumisel, Maa suunas vaataval. Lisaks paiknevad päikesepaneelid satelliidi külgedel olevate „tiibade“ mõlemal poolel. Päikeselt saadud energia salvestatakse Li-Ion akudesse. Parima valgustatuse tingimustes saadakse paneelidelt kokku ca 7,5W. Kogutava päikeseenergia elektrienergiaks muundamise efektiivsuse suurendamiseks kasutavad akulaadijad Maximum Power Point Tracking tehnoloogiat.

Süsteemi töökindluse tõstmiseks on enamus EPS süsteemi kriitilisi osasid dubleeritud. EPS jälgib pidevalt oma riistvara tehnilist seisundit ja toiteallikaid iseloomustavaid parameetreid. Lisaks on EPS suuteline saatma kogu telemeetria informatsiooni ka iseseisvalt (st. ilma pardaarvuti korraldusteta) Maajaama. EPS tarkvara on raadioside teel uuendatav.

Satelliitide Koit ja Hämarik orbiitide (LEO, SSO – Low Earth Orbit, Sun Synchronous Orbit) parameetrid on sellised, et ligikaudu 30 minutit lennatakse Maa varjus ja ligikaudu 60 minutit ollakse Päikese valguse käes.

Patareid
Satelliitide toitesüsteemi 3 erinevat põlvkonda. Toitesüsteem kasutab 4 liitium-ioon akupatareid suurusega 18650.
Sattellites

SATELLIIDIPROGRAMM

Innovatsiooni- ja ettevõtluskeskus Mektory Kosmosekeskus käivitas 2014. a. sügissemestril pilootprojektina nanosatelliitide arendamisele suunatud programmi.

Programmist

Mektory satelliidiprogramm on üleülikooliline, rahvusvaheline, interdistsiplinaarne initsiatiiv, mida viiakse ellu koostöös teadus- ja ettevõtluspartneritega nii Eestist kui välismaalt; Tegemist on tudengisatelliidi programmiga, kus läbi praktilise õppe omandavad tudengid reaalseid teadmisi ja kogemusi inseneeria ning kosmosetehnoloogia valdkondades ja ainepunkte õppetöös; Missioon on tagada piirkonnas uute tehnoloogiate areng ja kõrgetasemeline tööjõud nii Eesti kui ka rahvusvahelistes kosmose- ja tehnoloogiavaldkonna ettevõtetes.

Eesmärgid

Projekteerida, ehitada ning lennutada orbiidile töökindel ja võimekas nanosatelliit. Luua maajaam ja selle kaudu satelliiti opereerida; Pakkuda satelliitide ehitamise kaudu tudengitele kosmoseprojektis osalemise praktikat ning valmistada neid ette töötamaks hinnatud spetsialistidena tehnoloogia- ning kosmosefirmades; Soodustada kõrge lisandväärtusega töökohtade loomist ning uute tehnoloogiafirmade teket. Satelliidi ehitus- ja testimine toimus aastatel 2016-2018 ning orbiidile lennutamine ja missiooni algus toimub 2019. aasta suvel.

AJAJOON

  • 2014 TTÜ Mektory satelliidiprogrammi algus

    Projekti stardikoosolek

    Projekti plaani koostamine

  • 2015

    Missiooni kontseptsioon ja tehnilised nõudmised

    Teostatavusanalüüs Esialgne projekteerimine

    Detailne projekteerimine

  • 2016-2017

    Satelliidi alamsüsteemide ehitamine

    Komplekteerimine Testimine

    Sagedusload ja õiguslikud aspektid

  • 2018

    Alamsüsteemide tootmine

    Täisfunktsionaalse prototüübi tootmine ja testimine

    Täiustatud ja ümberkujundatud alamsüsteemide tootmine

    Katsemudeli tootmine ja testimine

    Satelliidi lõpliku versiooni tootmine

    Lennukõlbulikkuse testid Maajaama tootmine

  • 2019

    Satelliidi lennutamine maa orbiidile

    Kommunikatsiooni testid, alamsüsteemide testid

    Missiooni etapp

Satelliitide Koit & Hämarik nimede tekkelugu

Satelliitide nimed on pandud Friedrich Robert Faehlmanni loodud müütilise kunstmuistendi "Koit ja Hämarik" järgi, mis esmakordselt ilmus Faehlmanni poolt Õpetatud Eesti Seltsi toimetustes 1840. Aastal. See on inspireerinud mitmeid kunstnikke ja luuletajaid. Kauni sisu pärast sai lugu peagi ligidal ja kaugel tuttavaks ning ilmus mitmekümnes võõrakeelseski väljaandes. Faehlmann on tuntud oma eeltöö poolest, mille baasil kirjutas Friedrich Reinhold Kreutzwald edaspidi hästi tuntud "Kalevipoja".

Teos on põhjamaa Koidu ja Hämariku armastuslugu, kus Vanaisa usaldas Hämarikule loojuva päikese kustutamise ja Koidule valguseandja päikese süütamine. Ainult ühel ööl saavad Hämarik ja Koit kokku – ulatades valguseandja käest kätte. Hämarik vastutas loojuva õhtupäikese eest ning Koit tõusva hommikupäikese eest. Nad armusid teineteisesse ja Vanaisa lubas neil kokku saada kord aastas – juunikuu öödel, mil Hämarik südaöö paiku paneb kustuva õhtupäikese Koidu kätte ja nad suudlevad.

Öeldakse, et just jaaniööl saavad Koit ja Hämarik uuesti kokku, ning kui metsas leiad sõnajalaõie, võib see sullegi õnne tuua!

Nimed on sobilikud ka seetõttu, et Koit saadeti raketiga orbiidile koidu ajal ja Hämarik hämariku ajal.

Nime valikuks tehti arvukalt konkursse aastatel 2015 ja 2017, kuid nende jooksul ei leitud õiget nime. Aastal 2019 selgus, et saadame üles hoopis kaks satelliiti. 5.-6. oktoobril 2018 toimus TTÜ100 Satellite Hackathon, kuid hoolimata selle raames korraldatud nimekonkursist ei õnnestunud ikka leida nime, mis satelliitidele sobiks. Peale Hackathoni liitus satelliidi tiimiga Kristjan Tõnismäe ja tema poolt välja pakutud nimepaar Koit ja Hämarik osutuski valituks.