Studentski satelit FERSAT


Sažetak projekta

Projekt FERSAT uključuje izradu, lansiranje i korištenje jednog nanosatelita u orbiti na visini između 500 i 650 kilometara u razdoblju od tri godine. Satelit FERSAT je planiran u CubeSat 1U formatu, volumena jedne litre i težine ne veće od 4/3 kilograma. Njime će biti omogućeno prikupljanje i slanje informacija o svjetlosnom onečišćenju na Zemlju, na temelju kojih će se spektralnim razlučenjem pratiti udio rasvjete na bazi svjetlećih dioda (LED) u odnosu na konvencionalnu rasvjetu (fluorescentno i natrijevo svjetlo). Satelit FERSAT će omogućiti prikupljanje informacija o temperaturi tla i mora, o biljnom pokrovu na području Hrvatske, potencijalno i cijeloga svijeta, te o vremenskim promjenama u magnetskom polju Zemlje, o gustoći elektrona u ionosferi i lokaciji ozonske rupe. Po prvi put u svemiru mjerit će gustoća elektrona i ultraljubičasto svjetlo sa PureB detektorom (PureB se odnosi na silicijski detektor sa nanometarski debelim slojem čistog elementa bora) u čijem razvoju je sudjelovao FER.

Očekivani doprinosi ovoga projekta su (i) obrazovanje studenata u područjima svemirskih i komunikacijskih tehnologija te povećanje interesa za svemirske tehnologije i znanosti u Hrvatskoj, (ii) otvaranje svjetskog tržišta svemirske tehnologije u hrvatskom privatnom sektoru za komercijalno djelovanje, (iii) znanstvena istraživanja i stručni radovi u području svemirskih tehnologija i (iv) informacije o Hrvatskoj iz svemira koje će biti korisne državnim organizacijama koje se bave okolišem, vremenskim nepogodama, klimatskim promjenama i energetskom učinkovitošću.

Prvi izvor financiranja je Hrvatska Zaklada za Znanost, istraživački projekt IP-01-2018 Voditelj: Dubravko Babić


§1. Svemirska industrija i komercijalizacija nano-satelita

Svemirska industrija je na vrhu lanca vrijednosti komercijalnih usluga, znanosti i  usluga javnog sektora.  Komercijalizacija svemira u posljednjih je dvadeset godina u ubrzanom zamahu i svjetska svemirska industrija danas ima godišnje prihode od 250 milijardi dolara [1.1],[1.2]. Svemirske usluge dodane vrijednosti i svemirski programi Europske unije, odnosno zemaljski sektor u širem smislu (poput programa Copernicus i Galileo, namijenjenih promatranju Zemlje) stvaraju socioekonomske dodane vrijednosti i time pomažu razvoj Europe [1.3],[1.4]. Velikom razvoju komercijalnog tržišta u cijelom Svijetu je u posljednjem desetljeću doprinio rad na komercijalizaciji svemirskih letova i ekonomski pristupačna lansiranja satelita za distribuciju informacija te znanstvena istraživanja.

Svemirska industrija se sastoji od dizajna, razvoja i proizvodnje (a) sustava za lansiranje, (b) svemirskih letjelica i (c) opreme vezane na Zemlji i to za javne i privatne potrebe.  Ovo je industrija širokog tehnološkog spektra: mehaničke, elektroničke i kemijsko-tehnološke komponente i sustavi potrebni su za letjelice, satelite, zemaljske stanice, mikrovalnu oprema, robotiku, te softverski alati za dizajn i kontrolu sustava.  Svemirksa industrija doprinosi Europskoj 2020 Strategiji za pametni i održivi ekonomski rast, potiče znanstveni progress i povećava rast u zaposlenjima visoke dodane vrijedsnoti u telecomunikacijima, u navigaciji i opsevaciji Zemlje. Komercijalizacija svemira Europi daje nezavisnost i sigurnost, dok svemirska industrija istovremeno doprinosi riješavanju problema vezanih uz klimatske izazove, energetiku, zaštitu okoliša i zdrave hrane.

Vodeće ekonomske sile u svijetu se već natječu u komercijalizaciji svemira. Space-X i NASA u SAD, ESA u Europskoj uniji promovira i podržava fokus elektroničke, računalne, kemijske i biokemijske industrije, industrije materijala ka svemirskim primjenama: od tehnologija transporta u komunikacije i robotiku.  Europska komisija je 2013. izdala regulaciju [1.17] usmjerenu prema komercijalizaciji svemira: snimanje i opservacija Zemlje u svrhu zaštite okoliša, sigurnosti, uključivanju malog i srednjeg poduzetništva, proizvodnje za svemirske potrebe te u znanstvene svrhe.

Svemirska industrija je multidisciplinarna za širokim spektrom znanstvenih i tehnoloških izazova koja povezuje znanstvenike sa privredom i otvaraju prostor za inovaciju te motivira mlade znanstvenike i inženjere da osnuju nova poduzeća koja su fokusirana na tehnološke izazove vezane na temu osvajanja svemira, a do nedavno je bila isključivo u domeni  svjetskih velesila (SAD, Rusija). Progres u svemirskoj tehnologiji je potreban jer nove hardverske tehnologije stvaraju i nove primjene: na primjer, svemirska tehnologija je zaslužna za GPS pozicioniranje na mobilnim telefonima, a satelitske komunikacije i optika za Googlemaps i brojne primjene u zaštiti okoliša.

§1.1     Tržište satelitske tehnologije

Sateliti su većini populacije poznati kao komponente u sustavim distribucije televizijskog programa. Ti su sateliti pozicionirani fiksno u odnosu na Zemlju, na udaljenosti od 36.000 km i nazivaju se geostacionarni sateliti. Međutim, veliki interes u zanjem desetljeću dolazi za sateliti u niskoj zemljinoj orbiti (Low-Earth Orbit, LEO) koji postaju ključni elementi u 5G bežičnim komunikacijama jer će njihov razvoj omogučiti brzu komunikaciju bilo gdje i u bilo koje vrijeme na Zemlji. Satelit su jedina tehnologija koja omogučava komunikaciju sa stopostotnim pokrićem Zemlje [1.15]. Google, FaceBook i Planet Labs planiraju lansiranja tisuću umreženih satelita u niskoj orbiti s ciljem bežičnog povezivanja u svijetu [1.5],[1.6],[1.7], dok  Space X (SAD) razvija tehnologiju za svemirski turizam i komercijalna putovanja. Na ove tehnologije se nadovezuju istraživanje i kolonizacija svemira (za sada Mjesec i Mars) [1.8] i svemirsko rudarstvo; vađenje i prerada ruda s asteroida, Mjeseca i bližih planeta. 

Tržište piko, nano i mikro satelita raste više of 30% godišnje  [1.9] te se očekuje da će u 2020. godini narasti i do 2 milijarde dolara. Američki startup Spire (www.spire.com) koristi se svemirskom tehnologijom za prikupljanje različitih podataka o Zemlji u svrhu investiranja, prikupljanja informacija o rizicima i stanju okoliša. Satelit Terra Bella (Google) slika Zemlju i analizira snimke u orbiti. Start-up poduzeća koja pružaju lansirne usluge, izrađuju komponente za nanosatelite i mjernu opremu za svemir niču u cijelom svijetu: u prva tri mjeseca 2018. godine u startup tvrtke fokusirane na svemirsku industriju investirano je već milijardu dolara [1.10] (vidi sliku @1.1)., a u prošloj godini skoro 4 milijarde dolara [1.11].

k

Slika @1.1 – Investicija u svemirski sektor u 2018. godini.

S druge strane, Hrvatska danas ima mali udio u svemirskoj industriji [1.16] i vrlo je mali broj poduzeća koja su danas komercijalno uključena u svemirsku i satelitsku industriju. Zagrebački Amphinicy (www.amphinicy.com), Geolux d.o.o. (www.geolux-radars.com), partner na ovom projektu, i Hipersfera d.o.o. (hipersfera.hr) su primjeri start-up poduzeća uključenih u satelitsku industriju.   

Konačno, ekonomičnost nanosatelitskih misija u nisku orbit (LEO) omogućuje sveučilištima da testiraju inovativna rješenja za prikupljanje podataka o svemiru i o zemlji, dok je komercijalni doprinos razvoj i demonstracija ekonomičnih i energetski učinkovitih rješenja za svemir. Za Hrvatsku nije kasno da iskoristi svoj znanstveni i tehnološki potencijal [1.1].

 

§1.2     Nanosateliti

Neiskorišten kapacitet pri lansiranju velikih satelita omogućio je lansiranje malih satelita (piko i nanosatelita) standardiziranog formata kao sekundarnog tereta (secondary payload) po prihvatljivim cijenama. Zahvaljujući razvijenim standardima, danas je cijena lansiranja nanosatelita CubeSat formata [1.12] dostupna sveučilištima. Civilna svemirska industrija i sveučilišta u cijelome svijetu koriste se ovim resursima da bi uz pomoć malih satelita razvijali komunikacijsku tehnologiju, provodili znanstvena istraživanja i obrazovanje studenata. Lansiranje satelita postalo je pristupačno sveučilištima zahvaljujući tvrtkama koje kupuju neiskorištene prostore raketa namijenjenima za lansiranje velikih satelita. Na taj se način malim korisnicima omogućuje lansiranje pikosatelita i nanosatelita u znanstvene svrhe ili za inženjerske misije. Tablica ©1.1 prikazuje katergorije staelita koje se danas koriste za znanstvene i komercijalne misije. Ovaj projekt planira lansirati nanosatelit formata CubeSat 1U.

Naziv kategorije satelita

Težina

Mini sateliti

100 – 180 kg

Mikro sateliti

10 – 100 kg

Nano sateliti

1 – 10 kg

Piko sateliti

0.01 – 1  kg

Femto sateliti

0.001 – 0.01 kg

 

Tablica ©1.1 – Podjela satelita sukladno njihovoj veličini

Pri sveučilištima, razvoj i lansiranje satelita interdisciplinarni su inženjersko-znanstveni projekti u kojima sudjeluju znanstvenici i studenti. Trajanje ovakvih projekata je između dvije i pet godina, ovisno o kompleksnosti satelita te u njima može sudjelovati i po trideset studenata i znanstvenika istraživača. Trenutno se u niskoj zemljinoj orbiti nalazi oko 700 CubeSat satelita od kojih je skoro pola lansirano od strane sveučilišta širom svijeta.

Format satelita CubeSat osmišljen je 1999. godine suradnjom Kalifornijskog državnog sveučilišta Cal Poly u San Luis Obispu (https://www.calpoly.edu/) i Sveučilišta Stanford (https://www.stanford.edu/). Taj projekt je standardizirao dizajn CubeSat format i definirao njegove specifikacije što je omogučilo da se cijena i vrijeme razvoja sateklita substancijalno smanji i omogući veća pristupačnost istraživanja svemira sveučilištima i privatnim osobama. CubeSat volumena jedne litre naziva se 1U CubeSat. Danas se mogu kombinirati tri (3U), šest (6U) i više takvih blokova. Mehanički kosturi 1U, 2U i 3U CubeSat satelita prikazani su na slici @1.2. Nanosateliti lansiraju se kao sekundarni teret. Cal Poly dizajnirao je također Poly Picosatellite Orbital Deployer (P-POD), standardiziranu kazetu i mehanizam za izbacivanje 3U CubeSat satelita s lansirnog vozila prikazanu na slici @1.3. U kazetu mogu stati tri 1U CubeSat-a, 2U+1U CubeSata-a ili jedan 3U CubeSat satelit. Za izbacivanje u svemir koristi se opruga, jer CubeSat sateliti nemaju propulziju i putuju pasivno svemirom. Nakon što je izdan izbacivački signal (deployment signal), mehanička opruga (non-explosive actuator = NEA) otvara vrata i omogućuje CubeSat-ima da se klizući šinama u P-PODU puste u orbitu. Slika @1.4 prikazuje kumulativnu statistiku veličine lansiranih nanosatelita do ove godine (www.nanosats.eu).

Slika @1.2 – Mehnički kosturi 1U, 2U i 3U nanosatelita formata CubeSat.  Dimenzije i maksimalna težina su 1U: 10 × 10 × 10 cm³ i 1.33 kg, 2U:  10 × 10 × 20 cm³ i 2.66 kg, 3U: 10 × 10 × 30 cm³ i 4 kg.

 

Slika @1.3 – Primjer P-POD kutije u kojoj CubeSat-i putuju i iz koje se mehanički izbacuju kad lansirno vozilo stigne na željenu orbitu.

 

Nakon definicije CubeSat formata, format 1U postao je najpopularniji format za razvoj i lansiranje i kojim su se mogle ostvariti jednostavne funkcije, kao što su, na primjer, repeticija primjenog signala koje koriste radio amateri, slikanje Zemlje i prijenos podataka na Zemlju te niz jednostavnijih mjerenja koja nisu prezahtjevna u količini podataka koje se trebaju prenijeti na zemlju.  CubeSat sateliti su najčešće opremljeni primopredanicima koji koriste amaterske frekvencijske pojaseve 145 MHz i 435 MHz i brzinu prijenosa podataka (1.2 kb/s do 9.6 kb/s).  Amaterski frekvencijski pojasevi omogućavaju jednostavno i ekonomičnu komunikaciju. Neki (barem 20 njih) podržavaju analognu repeticiju te ih radio amateri, posebice Zagrebački radiomateri, koriste za komunikaciju [1.13],[1.14].  

Slika @1.4 – Kumulativna statistika lansiranih nanosatelita formata CubeSat (www.nanosats.eu).

 

1.3       Literatura

 

[1.1]       https://novac.jutarnji.hr/aktualno/alan-kuresevic-svemirski-sektor-otvara-lepezu-mogucnosti-za-hrvatsku-i-domace-tvrtke/7749738/

[1.2]       https://spacenews.com/satellite-industry-generated-more-than-260-billion-in-revenues-in-2016-according-to-new-report/

[1.3]       Facts and Figures press release – June 2017: “The state of the European space industry in 2016“, https://eurospace.org/wp-content/uploads/2018/05/eurospacefactsandfigures2017pressrelease.pdf

[1.4]       https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52013DC0108

[1.5]       https://www.wsj.com/articles/google-invests-in-satellites-to-spread-internet-access-1401666287

[1.6]       https://www.forbes.com/sites/haroldstark/2017/05/11/spacex-and-facebook-are-on-a-race-to-globalize-the-internet/#10fae4a87e4b

[1.7]       https://www.inc.com/kevin-j-ryan/planet-labs-launches-88-satellites.html

[1.8]       https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/mars-cube-one-cubesat-launch-with-mars-insight/

[1.9]       https://www.prnewswire.com/news-releases/global-cubesat-market-anticipated-to-grow-at-a-cagr-of-334-from-2018-to-2022-reports-bis-research-686433971.html

[1.10]     https://www.forbes.com/sites/alexknapp/2018/04/10/nearly-1-billion-was-invested-in-space-startups-in-1q2018-new-report-says/#47ac24a7285c

[1.11]     https://www.cnbc.com/2018/01/18/space-companies-got-3-point-9-billion-in-venture-capital-last-year-report.html.

[1.12]     http://www.cubesat.org/

[1.13]     Boris Lanča, “Radioamaterski sateliti danas i sutra. par slika sa predavanja“, Radio HRS, br. 4 (145), str. 31-34, 2011.

[1.14]     Radio Klub Zagreb (www.rkz.hr), Željko Ulip, privatna komunikacija (18.09.2018).

[1.15]     J. Browne, "Satellites provide distant connections", Microwaves & RF, Feb 2018, pp. 40-42.

[1.16]     N. J. Dauenhauer,„“Hoćemo li stvarno uskoro imati svemirski program i Hrvate na Marsu“,  https://www.index.hr/vijesti/clanak/hocemo-li-stvarno-uskoro-imati-svemirski-program-i-hrvate-na-marsu/2027958.aspx

[1.17]     EU Space Industrial Policy, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52013DC0108


§2. Opis projekta FERSAT

Fakultet elektrotehnike i računarstva te brojne znanstvene institucije u Hrvatskoj žele proširiti svoje znanstveno djelovanje na području svemirskih tehnologija. Komercijalne privatne tvrtke u Hrvatskoj, uključujući i partnere na ovom projektu, žele razvijati svemirsku tehnologiju i aktivno sudjelovati na svjetskom tržištu u tome području. Ovaj projekt doprinijet će znanstvenim i komercijalnim aktivnostima u Hrvatskoj na području svemirske tehnologije.

U okviru ovoga projekta Fakultet elektrotehnike i računarstva i partneri izradit će, lansirati i staviti u uporabu nanosatelit formata CubeSat u nisku Zemljinu orbitu na visini između 500 i 650 km. Radno ime satelita je FERSAT. Planirane funkcije (engl. payload) FERSAT-a ukratko su opisane u tablici ©2.1, a detaljno opisane u daljnjem tekstu.

 

Br.

Funkcija (Payload)

1

Spektralno razlučeno satelitsko snimanje Zemlje u četiri boje (RGB+IR) koje će omogućiti (a) mjerenje temperature tla i mora,  boje usjeva i šuma te (b) evaluirati svjetlosno zagađenje originalnim algoritmima za spektralno razlučenje rasvjete sa krajnjim ciljem procijene udjela LED rasvjete u cjelokupnom svjetlosnom onečišćenju Hrvatske i globalno.

2

Vektorsko mjerenje magnetskog polja Zemlje i njegove vremenske promjene sa ciljem razvoja opreme i softverskih algoritama za analizu polja te potencijalno ostvarenja globalne mape geomagnetskog polja.

3

Mjerenje gustoće elektrona u ionosferi upotrebom PureB detektora s ciljem praćenja promjene gustoće uzrokovane sunčevom aktivnošću i demonstracijom svemirskog korištenja PureB detektora.

4

Lociranje i praćenje ozonskih rupa mjerenjem refleksije ili apsorpcije ultraljubičastog zračenja sa Zemlje

5

Upotreba komunikacijskog sustava u X-pojasu (8 GHz) za prijenos velike količine podataka generiranih payloadima 1-4 s ciljem demonstracije sustava u 1U formatu, optimizaciju prijenosa podataka adaptivnim algoritmom i promjenama kodiranja i modulacije u orbiti.

Tablica ©2.1 – Lista funkcija (payload) FERSAT-a

 

Svrhe projekta FERSAT su (a) proširiti današnje sudjelovanje Hrvatske industrije i omogućiti Hrvatskim tehnološkim poduzećima uključivanje i sudjelovanje u rastućem međunarodnom tržištu svemirske tehnologije i usluga i (b) provesti niz znanstveno-istraživačkih podprojekata (opisanih u tablici ©2.1) s ciljem ostvarenja znansvenog rada i potencijalnoj komercijalizaciji opreme koja je za taj rad razvijena. 

 

Projekt FERSAT ima četiri komponente (A) dizajn i izrada satelita, (B) dizajn i izrada zemaljske stanice, (C) lansiranje satelita u orbitu i (D) mjerenje i analiza podataka, te potražuje financiranje za sve četiri – također prikazano u tablici ©2.2. Ovaj projekt uključit će tri zavoda Fakulteta elektrotehnike i računarstva:

 (1) Zavod za radiokomunikacije, kao nositelj projekta (platforma, payloadi 1-5),

 (2) Zavod za elektroničke sustave i obradbu informacija (razvoj algoritma za identifikaciju izvora svjetla, payload 1) te

(3) Zavod za elektroniku, mikroelektroniku, računalne i inteligentne sustave (payload gustoća elektrona u termosferi, payload 3 i 4).

 

Komponenta

Opis komponente projekta

A

Razvoj i izrada satelita, uključuje izradu platforme i razvoj payload-a, kvalifikacija satelita za svemir

B

Instalacija i izrada Zemaljskih stanica (UHF i X-pojas) 

C

Lansiranje satelita

D

Operativni dio: komunikacija sa satelitom, prikupljanje podataka, analiza, publiciranje informacija; komponenta D ne može početi dok nisu riješene komponente A i C.

Tablica ©2.2 – Komponente projekta FERSAT

 

Planirani format FERSAT-a je 1U CubeSat prikazan na slici @2.1: jedna ploha satelita uvijek ima smjer prema Zemlji (nadir ploha) i na njoj su planirani detektori za elektrone, ultraljubičasto svjetlo, antene i za kameru. Ploha satelita okrenuat prema svemiru (svemirska ploha) će potencijalno sadržavati detektor za gustoću elektrona i solarni panel. Sve ostale plohe će sadržavati solarne panele. 

   (a)                                                                     (b)

Slika @2.1: Primarna implementacija FERSAT-a: 1U CubeSat. Pogled (a) sa strane i (b) pogled sa Zemlje.

 

 

§2.2      Orbita satelita

Postupak lansiranja CubeSat-a u svemir sastoji se, prvo, u lansiranju rakete koja nosi primarni teret (veći satelit) i barem jedan P-POD sa više CubeSat-a. Orbita i visina na kojoj će CubeSat-i biti lansirani određena je primarnim teretom. Lansirno vozilo prvo izbaci primarni teret, a nakon toga sekundarni teret na istoj visini. Pritom se vodi računa da se sateliti međusobno ne sudare. Iako se nakon lansiranja u svemir svi CubeSat moduli polako udaljuju od lansirnog vozila, njihova putanja je primarno određena brzinom i smjerom rakete, jer je njena apsolutna brzina u odnosu na Zemlju mnogo veća od relativne brzine CubeSat-a u odnosu na raketu. Slika @2.2 prikazuje tri 1U CubeSat-a nakon izbacivanja iz lansirnog vozila. Unutar sat vremena, nakon što je odvojen od lansirnog vozila, satelit može početi emitirati i funkcionirati prema planu. Za kružnu putanju oko Zemlje, lansirno vozilo mora savršeno pogoditi smjer, brzinu i visinu orbite jer visina orbite definira brzinu satelita i smjer. Željeni smjer je uvijek paralelan sa površinom Zemlje, no male devijacije se uvijek događaju. Izbacivanje satelita sa lansirnog vozila direktno prema Zemlji pretstavlja jednu takvu devijaciju u smjeru i brzini, iako je ona mala. Ove devijacije u smjeru i brzini izbačenog satelita manifestiraju su u obliku orbite u kojoj će satelit kružiti o Zemlje. Za savršeno podešenu visinu, brzinu  i smjer paralelan sa površinom Zemlje, putanja je kružna, a devijacija u ovim početnim uvjetima rezultira u blago eliptičnoj orbiti. Eliptičnost nije velika i orbite svih satelita u svemiru su malo eliptične, što znači da se udaljenost između satelita i Zemlje uvijek mijenja. Na primjer, visina SWISSCUBE satelita lansiranog 2009. godine oscilira između 707.9 km i 717.4 km u odnosu na proječni radius Zemlje.

Slika @2.2 – Fotografija tri 1U CubeSat-a nakon izbacivanja u orbitu.

Visina i orbite na koje se lansiraju sateliti CubeSat nalaze se u niskoj zemljinoj orbiti (Low Earth Orbit = LEO) do 650 km. Ova maksimalna visina određena je dogovorom između velikih svjetskih svemirskih agencija (www.iadc-online.org) u namjeri da se ograniči nakupljanje otpada u svemiru.  Sateliti na visinama ne većim od 650 km će za 25 ili manje godina usporiti zbog prisustva atmosfere i početi padati. Sateliti neće pasti na Zemlju već će izgorjeti pri prolasku kroz atmosferu. Plan ovog projekta je da FERSAT ostane u orbiti najmanje dvije godine što znači da će orbita biti na visini ne manjoj od 500 km. Slika @2.3a prikazuje aproksimativan odnos između visine kružne orbite i očekivanog vremena trajanja satelita. Kružne orbite sa visinom između 500 km (oko 2 godine) i 650 km (25 km) su zadovoljavajuće za ovaj projekt.  Slika @2.3b kvalitativno ilustrira visinu satelita u odnosu na zračnu udaljenost između Zagreba i Dubrovnika.

Za zemaljske uvjete brzina satelita je ogromna. Satelit u niskoj orbiti putuje brzinom od 7.9 km/s (prva kozmička brzina ili orbitalna brzina). Sateliti za promatranje Zemlje najčešće se lansiraju u orbitu koja je sinhronizirana sa Suncem (SS) (sun-synchronous orbit). Idealna SS orbita ima svojstvo da se trag (trace) ovakve orbite na Zemlji ponavlja svaki dan u isto vrijeme što ima prednost da će ponovljeno snimanje nekog područja na Zemlji imati otprilike isto osvjetljenje i kut gledanja svaki dan i da je komunikacija sa satelitom periodična, istog trajanja. Ravnina koja sadrži SS orbita u stvarnosti nije statična u odnosu na svemir, kao što bi zakon o očuvanju kinetičkog momenta nalagao, već je perturbirana eliptičnošću Zemlje i polako se kreće prema istoku brzinom od 360°/365.25 po danu (eliptičnost je uzrokovana time što je radijus Zemlje pri ekvatoru 21 km veći od radijusa Zemlje na polovima 6378 km). Ovo egzaktno ponavljanje SS orbite manifestira se samo pri točno određenim visina orbite i perturbiran je usporavanjem u atmosferi. U stvarnosti, prosječna visina orbite nije egzaktna. Pritom, periodičnost traga na Zemlji nije savršeno periodična te se samim time trag orbite na Zemlji polako pomiče da bi aproksimativna periodičnost bila više dana umjesto jednog dana, a sve u svrhu da se cijela Zemlje može vidjeti jednim satelitom. Slika @2.4a prikazuje SS orbitu koja je vrlo bliska polarnoj orbiti, dok je na slici @2.4b prikazana proizvoljna SS orbita na pretpostavljenoj visini od 585 km koja se polako pomiče te prelazi izravno preko Hrvatske. Linije putanja aproksimativno prikazuju područje sa kojeg se sa satelitom može komunicirati kad je satelit barem 5° iznad horizonta (engl. satellite footprint).

 

  

(a)                                                                                    (b)

Slika @2.3: (a) prosječno vrijeme života satelita u LEO u ovisnosti o početnoj visini orbite. Orbite između 500 km i 650 km prihvatljive su za vrijeme života satelita dulje od dvije godine, (b) prikazuje odnos orbite satelita na 600 km i zračne udaljenosti između Zagreba i Dubrovnika.

Orbita sinhronizirana sa suncem samo je jedna od mogućih orbita, ali je najbolja za promatranje Zemlje. Slika @2.6 prikazuje kumulativnu statistiku visina orbita u koje su nanosateliti lansirani.  Visine veće od 500 km su zanimljive za FERSAT jer osiguravaju mogućnost aktivnog rada satelita koji je veći od dvije godine.

 

        

Slika @2.4 – (a) Orbita sinhronizirana sa suncem (sun-synchronous orbit), i (b) Primjer orbite FERSata na visini od 585 km: sekvenca od više orbita oko Zagreba s time da svaki pomak otvara mogućost da se sa satelitom komunicira.

Slike @2.5: (a) Prelet preko Hrvatske u toku kojeg je satelit u zenitu barem iznad nekog teritorija Hrvatske, (b) vrijeme vidljivosti satelita sa Zemaljske stanice ako satelit prelazi kroz zenit.

Satelit u SS orbiti provede otprilike dvije trećine vremena na suncu a trećinu vremena u mraku te se baterije mogu puniti za dana i koristiti za snimke u noći. Prelet preko Hrvatske, ako trag orbite ide kroz Hrvatsku kao što je prikazano na slici @2.5a, traje oko 1 minutu: satelit prolazi direktno iznad teritorija Hrvatske i u tijeku ovog vremena se Hrvatska može snimati kamerom koja je direktno usmjerena preme Zemlji (tzv. nadir smjer). S druge strane, satelit je dostupan za komunikaciju u mnogo većem vremenskom periodu jer zemaljska stanica može komunicirati sa satelitom i kad satelit nije direktno nad Hrvatskom, već je dovoljno da bude iznad horizonta.  U stvarnosti je rijetko moguće komunicirati sa satelitom kad se satelit tek pojavi na horizontu zbog termičkog šuma, radiofrekvencijskih smetnji i veće udaljenosti između satelita i zemaljske stanice. Na slici @2.5b prikazan je lokus položaja satelita u tijeku kojeg se može komunicirati sa satelitom pri jednom preletu pod pretpostavkom da komunikacija počne kad je satelit barem 5° iznad horizonta (elevacija je veća od 5°) i da satelit prolazi kroz zenit. Vidljivost od 20° do 160° (αv = 70°) je najvjerojatnija opcija u urbanoj sredini na vrhu zgrade. U ovom projektu očekujemo da će vidljivost satelita u Zagrebu biti barem 20°, znači da će vrijeme u tijeku kojeg se sa satelitom može komunicirati biti barem 36 puta dulje od vremena u tijeku kojeg se teritorij Hrvatske može snimati.

Nakon lansiranja sateliti se sa poznatim kodom satelita mogu pratiti korištenjem javno dostupnih on-line alata (www.n2yo.com). Postoji više standardiziranih formata kojima se putanje satelita dokumentiraju: jedan od njih je Two Line element (TLE), skup orbitalnih elemenata koji opisuju položaj satelita u ASCII formatu. TLE format je definiran od strane North American Aerospace Defense Command (NORAD) i koristi ga i NASA. TLE sadrži pojednostavljeni model za predikciju orbite i koristi se za satelitske misije s revolucijom manjom od 225 minute. Revolucija FERSata će biti oko 96 minuta.  Postoje javno dostupni portali koji prate sve satelite u stvarnom vremenu. Dovoljno je imati identifikacijski broj (TLE) da bi se satelit pronašao. Slika @2.7 prikazuje sliku sa portala www.n2yo.com, a slika @2.8 sa  javno dostupnim softverom Orbitron (www.stoff.pl).

 

Slika @2.6: Kumulativna statistika tipova orbita u koje su lansirani nanosateliti (www.nanosats.eu). Ciljana orbita za FERSAT je SSO (sun-synchronous orbit) između 500 km i 650 km.

Za komunikaciju za satelitom mora postojati i zemaljska stanica: primopredajnik prilagođen na frekvenciju i modulacijski postupak koji je ugrađen na satelit i prilagođen mehanički za kontinuirano praćenje satelita u vrijeme kad je vidljiv iz Zagreba. Oblik i kompleksnost zemaljske stanice substancijalno ovisi o frekvenciji nosioca i  brzini prijenosa podataka. 

Slika @2.7 – Primjer praćenja satelita u stvarnom vremenu dostupno na Internetu (www.n2yo.com).

Slika @2.8 – Primjer praćenja satelita u stvarnom vremenu dostupno sa freeware softverskim alatom Orbitron (www.stoff.pl).

 

§2.3      Korisnici rezultata projekta

Za Hrvatsku važni krajnji korisnici rezultata projekta FERSAT su (a) znanstvene institucije, zbog znanstvenog rada koji je omogučen dobavljanjem originalnih podataka iz svemira, i originalne opreme razvijene razvijene za istu svrhu, (b) studenti koji su kroz program izrade satelita naučili raditi sa složenim sustavima koji koriste široki spektar tehnologija (pokazalo se da ti studenti dolaze u industriju mnogo spremniji za praktični rad sa novim tehnologijama odnosu na prosjek), (c) privreda, jer uspjeh CubeSat programa pri sveučilištima pomaže stvaranju niza start-up poduzeća sa poslovnim planovima koji uključuju dizajn i proizvodnju komponenti za satelite, lansiranju satelita i obradi podataka uz svemira. 

  • Michael Swartwout, “Significance Of Student-Built Spacecraft Design Programs – It’s Impact On Spacecraft Engineering Education Over Last Ten Years”, American Society for Engineering Education (www.asee.org),, 2011.
  • https://www2.calstate.edu/impact-of-the-csu/research/highlights/san-luis-obispo/Pages/launching-satellites-and-students-careers.aspx
  • Report in Brief “Achieving Science with CubeSats: Thinking Inside the Box” (https://www.nap.edu/resource/23503/RiB-cubesats.pdf).
  • “Achieving Science with CubeSats: Thinking Inside the Box”, The National Academies Press, 2016.

Konačno, današnje aktivnosti u Hrvatskoj vezane za satelitsku industriju, opisane u članku [1.16] (Institut Ruđer Bošković / Adriatic Aerospace Association i Croatian Makers)  nisu u konkurenciji sa FERSAT-om i njihovo financiranje i uspjeh nema utjecaja na uspjeh FERSAT-a, niti projekt FERSAT na bilo koji način ugrožava ostale projekte. Štoviše, suradnja i dijeljenje iskustva je planirano.

§2.4.     Usklađenost projekta sa strategijom pametne specijalizacije RH

Ovaj projekt je u skladu sa Strategijom pametne specijalizacije RH (S3), jer promovira aktivnosti temeljene na znanju i  inovativnosti u RH  time povećava konkurentnost RH.  Sudjelovanje RH u FP7 i drugom projektima na području svemirske i zrakoplovstva je do sada bilo malo i S3 akcijski plan ne prepoznaju svemir kao prioritetno područje istraživanja. Ovaj projekt, međutim, koristi svemir u svrhu znanosti, obrazovanja i razvoja komercijalne tehnologije i aktivnosti za koje je zainteresirana hrvatski poduzetnici. 

Svemirska tehnologija je novi međunarodni lanac vrijednosti koji raste 10% godišnje u broju zaposlenih i prihodu, a Hrvatska je do sada vrlo slabi bila uključena u taj lanac. Postoji potencijal da će uključenje pomoći u rastu, inovaciji, stvaranju novih tehnologija i transferu tehnologije iz akademskih ustanova u privredu. Ovaj trend će motivirati organizaciju hrvatskog inovacijskog sustava i stvaranje intelektualnog vlasništva.  Sudjelovanjem motiviranih partnera i Fakulteta omogućit će se zajedničko publiciranje znanstvenih i stručnih doprinosa te patentiranje inovacija. Nova radna mjesta i povećanje zaposlenosti u RH kojoj doprinosi ovaj projekt bit će temeljena visokoj dodanoj vrijednosti.

Projekt uključenja RH u međunarodno lanac svemirske tehnologije koji uključuje znanost, povećanje konkurentnosti u svemirskim tehnologijama, usmjerava kapacitet RH u području znanja i i inovacija u području u kojem RH ima potencijale i time će pridonijeti povećanju konkurentnosti i društveno-gospodarskog razvoja RH.

Projekt FERSAT neposredno doprinosi tematskom prioritetnom području (TPP) S3 Energija i održivi okoliš i pod-tematsko prioritetno područje Ekološki prihvatljive tehnologije, oprema i napredni materijali.  Indikativne IRI teme u ovom pod-tematskom području i kojima ovaj projekt neposredno doprinosi su tehnologije i upotreba autonomnih bespilotnih vozila za praćenje okoliša jer je satelit autonomna bespilotna letjelica, a povezane indikativne teme u sklopu horizontalne ICT teme su primarno (i) rješenje za mjerenje i modeliranje svjetlosnog onečišćenja te izrade i održavanje karte svjetlosnog onečišćenja, i sekundarno (ii) energetski učinkoviti aparati i (iii)  računalni vid i strojno učenje s primjenom u ekološki prihvatljivim tehnologijama i opremi i naprednim materijalima.

Projekt FERSAT posredno doprinosi tematskom prioritetnom području Hrana i bioekonomija i pod-tematskom prioritetnom području Održiva proizvodnja i prerada hrane.  Indikativna IRI tema u ovom pod-tematskom području i kojima ovaj projekt posredno doprinosi je inovativne tehnologije i procesi za proizvodnju hrane visoke kvalitete i dodane vrijednosti, a povezana indikativne tema u sklopu horizontalne ICT tema je ICT sustavi, aplikacije i rješenja za upravljanje i nadzor poljoprivrednih površina.

 


§3. Izrada satelita

Komponenta A projekta FERSAT

§3.1     Izrada i razvoj platforme i payloada

Funkcije satelita se dijele u dva dijela: platforma i payload.  Platforma uključuje funkcije nužne za rad satelita (napajanje energijom, pohranjivanje energije, komunikacija sa zemljom, određivanje položaja satelita u odnosu na zemlju, određivanje i kontrola orijentacije satelita u odnosu na zemlju, mjerenje temperature i položaja Sunca u odnosu na satelit).  Iako se razlikuju od satelita do satelita, ove funkcije i karakteristike opreme su većinom definirane, poznate i javno su dostupne. Payload uključuje senzore, kamere, računala koja analiziraju podatke i pripremaju ih za slanje na Zemlju. Plaforma je kao operativni sustav na računalu (Microsoft Windows), a payload kao instalirana softverska aplikacija (npr. Microsoft Word). Glavni dijelovi satelita i funkcije koje su planirane za FERSAT su prikazane u tablici ©3.1.

Za izradu platforme projekt planira koristiti komercijalno dobavljive komponente koje su već isprobane u svemiru u svrhu smanjenja rizika. Optimizacija rada plaforme će se sastojati u prilagodbi kontrolnog sustava i integraciju sa payloadom i ostalim komponentama sustava. Implementacija payloada je inovativni dio projekta i njegova integracija pretstavlja najveći mehanički, energetski i kontrolni izazov razvoja satelita. Payload funkcije i potrebne komponente zahtjevaju razvoj i hardvera i softvera  koji će odvijati u Hrvatskoj i koristiti komponente dizajnirane, izrađene ili sastavljene u Hrvatskoj, gdje to moguće.

Ključna ograničenja u dizajnu satelita su težinski (stavka §3.3) i energetski budžet (stavka §3.5).  Problemi vezani za težinski budžet su ukratko opisani u stavci 3.1, a energetski budžet u stavci 3.3. Postoji velika javno dostupna baza padataka o izradi satelita, posebice platforme koja uključuje iskustva prethodnih misija, koja će omogućiti da se u FERSAT implementiraju najbolja poznata rješenja.  Praktičnost svih payload funkcija i komponenti će biti istražena te optimizirano zajedničko korištenje energije i vremena. U svrhu smanjenja rizika od kvara uzrokovanog lansiranjem i grešaka uzrokovanih zračenjem u svemiru bit će implementirana redundancija u softveru i hardveru te odabir rješenja koja smanjuju taj rizik.

Ostvariti FERSAT u formatu CubeSat 1U sa svim payloadima predloženim u tablici ©3.1 je vrlo složen tehnološki izazov: payloadi 1 i 5 su energetski i težinski zahtjevni, payloadi 3 i 4 su rizični je nisu nikad implementirani u svemiru, dok je payload 2 je i težinski zahtjevan i još nepoznate efikasnosti. Za svaku payload funkciju postoje i bit će istražena praktičnost alternativnih rješenja. Konačni dizajn FERSAT-a, će stoga vjerojatno uklučivati modificirane payload funkcije ili smanjeni broj payloada. Konačna odluka o payload funkcijama implementiratih u FERSAT-u bit će donešena nakon što se svaki payload istraži i uklopi u težinski i energetski budžet.  

 

 

Kratica

Podsustavi

Funkcija i važniji parametri

1

Platforma CDH

Centralno računalo

(CDH = Command / Data Handling Subsystem)

Komunikacija među podsustavima, upravljanje radom satelita, priprema podataka za slanje na Zemlju i prijem podataka sa Zemlje.

2

Platforma EPS

Energetsko upravljanje

(EPS = electrical power subsystem)

Solarni panel, baterija, energetski kontroler.

3

Platforma ADCS

Podsustav za određivanje i kontrolu orijentacije satelita

(ADCS = Attitude Determination and Sensing Subsystem)

položaj sunca (sun sensor), položaj i orijentacija u odnosu na Zemlju (magnetometer).

4

Platforma COMM

Komunikacijski podsustav (communications subsystem)

UHF komunikacijski sustav za primanje i slanje kontrolnih informacija na Zemlju, antena, nabava i integracija.

5

Payload 1

Podusustav za mjerenje svjetlosnog onečišćenja i fotografiju

Kamere, vidno polje, rezolucija, algoritam za kompresiju slike i analiza

6

Payload 2

Podsustav za mjerenje magnetskog polja

Osjetljivost, elektronika, digitalna konverzija

7

Payload 3/4

Podustav za mjerenje gustoće elektrona i ozona

Izrada detektora, pakiranje, elektronika, analiza podataka

8

Payload 5

X-band komunikacijski sustav

Kodiranje, pojačanje i slanje signala prema Zemlji, prijem siganala sa zemlje, dekodiranje: antena, pojačala, modulatori/demodulatori

9

MEH

Mehanička konstrukcija

Materijali, težina, toplinski dizajn

Tablica ©3.1 – Funkcionalni dijelovi satelita

 

§3.2     Težinski budžet

Osnovna ograničenja nanosatelita formata CubeSat su težina i volumen koji za 1U ne smiju preći 1.33 kg i 1 litru, a za 3U ne smiju preći 4 kg i 3 litre. Ograničenje težine satelita je kritično ograničenje jer se ne može mijenjati u toku rada satelita kao što se može mijenjati potrošnja pojedinih komponenti i time optimizirati energetski budžet.

Tablica ©3.2 prikazuje jedan primjer raspodjele težine po komponentama i procjenu potrošnje u radu za komponente koje troše električnu energiju za 1U CubeSat. Primjer prikazuje slučaj u kojem je težina satelita manja od maksimalne što ostavlja prostor za mehaničke učvršćivače i električne spojeve. Zadržavanje težine satelita ispod maksimalne težine smanjuje mehaničko naprezanje na satelitu i time smanjuje rizik od povrede pri lansiranju. Komponente koje troše mnogo energije, kao što su kamera i X-band primopredajnik neće raditi u isto vrijeme. U planiranju energetskog budžeta će se planirati vremenski raspored rada svih komponenti u satelitu .

 

Dio satelita

težina [g]

Potrošnja [W] (u radu)

Konstrukcija

110

 

CD&H kontroler

70

0.4

COMM: VHF/UHF + antenna

175

2

ADCS: sunsensor/ magnetorquer

70

1.25

Payload 1: kamera + elektronika

70

3

Payload 2:  magnetometer

50

0.7

Payload 3: elektronika + detektori

50

0.1

Payload 4: elektronika + detektori

50

0.1

Payload 5: X-band primopredajnik

125

4

EPS: 4×50 g/panelu, 50 Wh baterija

380

 

Ukupno

1130

 

Tablica ©3.2 – Primjer težinskog i energetskog budžeta za 1U CubeSat

 

 

§3.3     CD&H: Centralno računalo

Kontrolni podustav komunicira sa svim ostalim podsustavima na satelitu i upravlja s time kad koji sustav može i treba raditi, a kada treba, zbog štednje energije, biti isključen. Postoji niz računala koja su danas komercijalno dobavljiva i služe za kontrolu CubeSat satelita.  Komunikacija između kontrolne jedinice (CD&H podsustav) i svih ostalih podsustava je planirana protokolom iz autoindustrije Controller Area Network (CAN) [wikipedia.org/wiki/CAN_bus]. U projektu će biti potrebno odabrati odgovarajući sustav za kontrolu, sustav koji će moći primati podatke iz svih podsustava i kontrolirati slanje i primanje podataka sa Zemlje.

 

§3.4     Energy Power System podsustav (EPS)

EPS sustav za napajanje sastoji se od sunčevih kolektora (solarnih panela), baterija i kontrolera (za energetsko upravljanje, eng. power management) koji se brine da se baterije pune kad su solarni kolektori na suncu i prati pražnjenje baterija. FERSAT će biti opremljen sa četiri ili više solarnih panela ovisno o konačnom dizajnu i energetskoj optimizaciji.

Solarni paneli za CubeSat satelite koriste galij-arsenidne pn-spojeve (GaAs) i daju energetsku korisnost od skoro 30% za optimalni teret. Uobičajeno je da solarni panel prekriva 64% površine jedne strane CubeSata. Jedan panel površine 75 mm x 80 mm pokriva jednu stanu 1U CubeSata (slika @3.2) koja može dati 2.4 W energije pri naponu 4.7 V.  Kad su paneli izloženi sunčevom zračenju, gustoća energije koja dolazi od sunca je konstantna, međutim, intenzitet se mijenja kad su paneli okrenuti suncu pod kutem manjim od 90°. Da bi se solarni panel optimalno opteretio u ovom ne-okomitom slučaju i  dao najbolju korisnost za taj manji intenzitet svjetla, svaki panel ima svoj sklop za praćenje točke najveće snage (MPPT, maximum power point tracking ) koji elektronički podešava teret koji solarni panel vidi i pretvara u DC napon.  Posebni sklop se koristi za zbrajanje električne snage iz svakog panela. Efikasnost solarnih panela jako ovisi o temperaturi: za promjenu od 20°C, efikasnost može pasti sa 30% na 20%. Na početku radnog života, solarni paneli mogu raditi sa efikasnošću pretvorbe do 30%, ali postepeno stare i ta efikasnost nakon 15 godina rada može biti 10% te se ove promjene moraju uzeti u obzir u dizajnu.

Baterije za CubeSat satelite su uglavnom Li-ion tipa. Kapaciteti baterija kreću se između 20 i 50 Wh sa nominalnim naponom od 3.7V (maksimalno 4.2V), unutarnji otpor je do 7 mΩ pri temperaturi 25°C. Baterija je obično najteži dio CubeSat-a, a težina je proporcionalna kapacitetu. Slike @3.2 prikazuje primjer. Najveći problem sa baterijama je ograničeni raspon temperature u kojem mogu raditi i ostati neoštećene (vidi tablicu ©3.3).

  

Slika @3.2 – Primjeri solarnih panela i baterije za CubeSat

§3.5     Toplinski dizajn

Toplinski dizajn je usko vezan za sve komponente satelita: elektronika i sunce griju satelit, a satelit se hladi kad je u sjeni Zemlje. Materijali i konstrukcija satelita određuju koliko će se svaka komponenta ugrijati za vrijeme dok je satelit izložen Suncu i na koji način će se toplina raspodijeliti u satelitu. S druge strane, materijali i konstrukcija moraju biti prilagođeni stresu: vibracijama i toplinskim promjenama koje se događaju prvenstveni pri lansiranju, a kasnije pri reltaivno brzim promjene temperature u orbiti (jedan ciklus traje 90 minuta). 

Oscilacije u temperaturi CubeSata ovise o vremenu u kojem je satelit izložen suncu i njegovim toplinskim svojstvima. Toplinski budžet je maksimalna snaga koja se može disipirati a da pri tome temperatura satelita ne poraste izvan dozvoljene granice. Satelit se grije sa (a) direktnim zračenjem Sunca (solarna konstanta 1400 W/m²), (b) zračenjem sa Sunca reflektiranog sa Zemlje (30%, 420 W/m², albedo), (c) infracrvenim zračenjem Zemlje (230 W/m²), a hladi se samo radijacijom (Planckov zakon o zračenju crnog tijela). Važno je napomenuti da grijanje satelita od rada elektroničkih komponenti ne mijenja prosječnu temperature satelita, već samo devijacije temperature, jer su energija koja se troši u elektronici prethodno sakupljena od sunca. Budući da se u SS orbiti dan i noć na satelitu mijenjaju oko 15 puta u 24 sata, satelit periodično grije i hladi. Prosječna temperatura satelita jako ovisi o efikasnosti zračenja energije i apsorbciji sunčevog zračenja. 

Temperaturna ravnoteža je jedan od najsloženijih i važnijih problema na satelitima i mora se detaljno i pažljivo predvidjeti korištenjem komercijalnih alata za mehaničku i toplinsku analizu.

 

(a)                                                               (b)

Slike @3.3: Ilustracija vremenske ovisnosti temperature satelita kada je izložen suncu 25%, 50%, 75% i 100% vremena, a hladi se u ostalo vrijeme; (b) najviša i najniža temperatura kao funkcija izloženosti satelita suncu.

Slike @3.4: Primjeri rezultata  trodimenzionalne toplinske analize. Različite boje u slici predstavljaju različite temperature.

Slika @3.3a prikazuje rezultate jednostavnog toplinskog modela za 1U i 3U CubeSat satelita koji ilustrira osjetljivost prosječne temperature i temperaturnu fluktuaciju. U SS orbiti, satelit se grije dok je izložen Suncu, a hladi cijelo vrijeme. Najviša i najniža temperatura u oscilaciji prikazana je na slici @3.3b u ovisnosti o postotku vremena koje 1U CubeSat satelit provede na suncu, dok na slici 16b, prikazane su maksimalna, minimalna i prosječna temperatura satelita u ovisnosti o postotku vremena izloženosti suncu. Rezultati pokazuju da sva tri grafa strmo ovise o postotku vremena na suncu. Oscilacije u temperaturi mogu biti velike i lako izaći iz temperaturnog područja preporučenog za rad elektroničkih komponenti, a posebno baterija: zasjenjeni dio pokazuje uobičajeno temperaturno područje rada baterija. U uobičajenoj SS orbiti, satelit provede oko 2/3 vremena na suncu. Slika @3.3b također pokazuje da zbog većeg odnosa između mase i površine, temperatura 3U-CubeSat satelita fluktuira oko 25% manje nego na 1U CubeSat-u.

 

Komponente

Raspon temperature radi

Raspon temperatura spremanja

EPS kontroler

‒40°C do +85°C

‒50°C do +90°C

Baterije

+5°C do +20°C

0°C do +25°C

Solarni paneli

‒150°C do +110°C

‒200°C do +130°C

ADCS

‒10°C do +40°C

‒15°C do +45°C

CD&H

‒40°C do +85°C

‒40°C do +90°C

Antene

‒100°C do +100°C

‒105°C do +105°C

Tablica ©3.3: Raspon temperature koje pojedine komponente mogu podnijeti

Dizajn temperaturnog profila i kontrola temperature u satelitu izuzetno je važan element izrade satelita (primjer prikazan na slici @3.4). Grijanje i hlađenje se također kontrolira izborom boje satelita sa ciljem da će srednja vrijednost satelita biti oko 25°C bez velikih oscilacija. Rješenje se sastoji u kombiniranju crne i zlatne boje.

U projektu će biti potrebno analizirati dobavljive solarne panele, njihove energetske korisnosti, težinu i pouzdanost te definirati i nabaviti odgovarajući sustav za kontrolu.  Također će biti potrebno toplinksi analizirati cijelu strukturu satelita, nabaviti komponente i boju kojom će satelit biti pokriven da bi bio toplinski stabilan. Konačno satelit će biti testiran na Zemlji u laboratoriju u prisustvu grijanja i hlađenja pri punom radu.

 

§3.5     Attitude Determination & Control System

CubeSat sateliti se izbacuju u svemir mehanički: opruga u P-POD kazeti ih naglo izbaci van. U tom postupku, sateliti dobiju kinetički moment i nakon izbacivanja nekontrolirano rotiraju. Na fotografiji @2.2, koja prikazuje tri 1U CubeSat satelita odmah nakon izbacivanja u orbitu, vidi se da je svaki satelit orijentiran pod različitim kutem u odnosu na osi koja ih spaja, što znači da svaki rotira oko različite osi i različitom kutnom brzinom. Ova rotacija može biti vrlo problematična: kutne brzine do 100°/s su detektirane za 1U CubeSat. Izduženi sateliti, format 3U se mnogo bolje ponašaju pri izbacivanju jer imaju veći moment inercije i P-POD kazeta ih dobro usmjerava pri izbacivanju što se također da nazrijeti iz slike @3.5, gdje su 3U CubeSat sateliti skoro paralelni nakon izbacivanja.

Slike @3.5 Fotografija dva 3U CubeSat-a nakon izbacivanja u svemir iz jedne P-POD kazete.

Nekontrolirana rotacija satelita pri izbacivanju naziva se tumbing i prvi zadatak satelitskog sustava za orijentaciju je da stabilizira ovo nekontrolizano okretanje nepoznatom kutnom brzinom oko nepoznate osi. Inicijalna stabilizacija naziva se detumbling. Nakon što je satelit zaustavljen, potrebno ga je precizno usmjeriti u željenom smjeru da bi mogao obavljati svoju funkciju. Sve ove funkcije obavlja podsustav za kontrolu orijentacije: attitude determination and control system (ADCS). Vrijeme potrebno da se 1U CubeSat stabilizira ovisi o tome koliko brzo rotira i može u nekim slučajevima trajati mjesecima, dok se 3U CubeSat uglavnom stabilizira u par tjedana.

Slika @3.6 prikazuje tipove problema vezanih za stabilizaciju satelita: (a) uspostava kontrole nakon izbacivanja sa lansirnog vozila (detumbling); (b) sigurnosni mod (safe mode) u kojem je bar jedan solarni panel uvijek okrenut prema suncu; (c) satelit je uvijek okrenut u jednom smjeru (idle mode); (d) inercijalni mod u kojem je kinetički moment neperturbiran i stoga satelit uvijek okrenut u istom smjeru; (e) ciljana kontrola orijentacije u kojem je satelit uvijek usmjeren prema definiranom cilju na Zemlji (target-pointing mode), i (f) satelit je uvijek usmjeren prema središtu Zemlje (nadir-pointing mode). Za promatranje Zemlje su primjenjivi target-pointing i nadir-pointing modovi. Za target-pointing je potrebna vrlo precizna i brza promjena orijentacije satelita ili pokretanje kamere u odnosu na satelit. Oba ova pristupa su vrlo zahtjevni na kontrolu orijentacije (i skupi). FERSAT je planiran da radi isklučivo u nadir-pointing modu za koji je dovoljno da je satelit usmjeren prema Zemlji stalno. Za ovaj mod rada je još uvijek potrebna stalna kontrola orijentacije, ali zahtjevi na preciznost mnogo su manji i mogu izvesti sa manje komponenti i manjim utroškom energije.  

Slika @3.6 – Tipovi problema vezanih iz kontrolu orijentacije satelita

Uobičajeno je da se stabilizacija nekontrolirane rotacije (detumbling) nakon izbacivanja za lansirnog vozila radi sa magnetskim poljem, a da nakon te inicijalne stabilizacije primjenjuju drugi, precizniji načini.

Slika @3.7 – Magnetski dipol stvoren sa elektromagnetima u satelitu se ponaša kao kompas u zemljinom magnetskom polju. Slika @3.8 – (a) vidno polje satelitske kamera kad je satelit savršeno orijentiran prema središtu Zemlje (nadir pointing) i (b) realna situacija kad je orijenatcija satelita kontrolirana magnetskim sustavom.

Postoji nekoliko načina da se orijentacija satelita kontrolira: gravitacijski, magnetski i intercijalno. Magnetski pristup uključuje korištenje tri elektromagneta u satelitu kojim se može stvoriti magnetsko polje u proizvoljnom smjeru. Stvoreni magnetski vektor se ponaša kao kompas u Zemljinom magnetskom polju (ilustrirano na slici @3.7) i nastoji se orijentirati u smjeru zemljinog magnetskog polja čime se stvara moment koji okreće satelit.  Buduće da je orbita satelita kružnog oblika, satelit prolazi kroz područje gdje magnetsko polje Zemlje mijenja smjer (slika @3.7). Da bi se satelit pravilno orijentirao potrebno je imati točne podatke o svojoj lokaciji i o smjeru magnetskog polja.  Da bi se stabilizacija postigla, sva tri elektromagneta moraju biti konstantno regulirana.  Budući da geomagnetsko polje daje samo informaciju o jednom smjeru, ne može se ostvariti kompletna kontrola pa se mora dozvoliti da usmjerenost satelita oscilira oko nekog srednjeg smjera. Ova regulacija se naziva "B-dot algoritam" i satelit nikad nije točno u nadir poziciji i iskustvo je pokazalo da ova metoda nije dovoljna za izradu kvalitetnih fotografija zemlje. Uz elektromagnete mogu se koristiti, tzv. gravity-gradient stabilization (GGS) ili inercijska kontrola korištenjem zamašnjaka. Obje metode imaju svoje prednosti i nedostatke. 

Gravity-gradient stabilizacija koristi promjenu u jačini gravitacijskog polja između dva kraja izduženog satelita. U ovu svrhu satelit mora biti izdužen nekoliko metara, što se ostvaruje sa teleskoski produženim stapom na kojem je neka mala masa. Efekt je vrlo slab, ali u svemiru gdje nema atmosfere i trenje je zanemarivo ovaj sustav stabilizira satelit u nekoliko tjedana. Prednost je da ne koristi energiju, a nedostatak da mora postojati velika razlika u udaljenosti između krajeva satelita.

 

Slika @3.9 – Primjer detektora sunca

 

Inercijalni sustavi koriste zamašnjake da bi promijenili kinetički moment satelita. Regulacija je upitna kada je satelit u blizini željene orijentacije (kada je kutna brzina približno nula). Djelovanje i najmanje sile pri pokretanju ili zaustavljanju zamašnjaka uzrokuje trzaje i to zamućuje fotografije uhvaćene u tom trenutku. Potencijalno rješenje je konstantno rotiranje zamašnjaka i kontinuirano mijenjati brzinu što ima nedostatak da postoji konstantna potrošnja energije. Zamašnjaci su pokretni dijelovi koji predstavljaju rizik za satelit jer često budu povrijeđeni pri lansiranju.

 

  

Slika @3.10 – Primjeri sustava sa zamašljakom i magnetorquera

 

ADCS   sustav određuje (a) trenutni položaj satelita, (b)i njegovu orijentaciju u odnosu na Zemlju i (c) kontrolirano mijenja i podešava orijentaciju satelita u odnosu na Zemlju. Ove funkcije su neophodne za učinkovito snimanje Zemlje jer kamera mora biti usmjerena na Zemlju (tzv. nadir orijentacija) i satelit mora znati iznad koje se lokacije na Zemlji nalazi da bi se mjerenja i snimanje Zemlje moglo izraditi po planu. Veći sateliti, kad su okrenuti prema Zemlji, mogu koristi kamere koje se dodatno mogu precizno usmjeriti prema cilju. Na CubeSatu, zbog ograničenja težine, kamere su fiksirane na jednoj strani satelita i kontrola orijentacije je nužna da bi se kamera usmjerila prema cilju.

Senzorski sustav za određivanje orijentacije koristi kombinaciju senzora da bi odredio smjer u kojem kamera gleda. Jedan vektor se dobija mjerenjem smjera geomagnetskog polja za što služi magnetometar, a drugi vektor se dobiva mjerenjem položaja sunca za što služi detektor sunca (sun detector). Za noćno snimanje može se koristiti i detektor zvjezda, koji također ima kameru i softver koji prepoznaje sazviježđa i time određuje orijentaciju satelita.

U toku projekta će se istražiti i nabaviti komercijalno rješenje za kontrolu orijentacije satelita . Obavit će se testne simulacije ponašanja .

 

§3.6     COMM: Podsustav za komunikaciju sa Zemljom

Za komunikaciju između satelita i zemlje satelit mora imati primopredajnik sa antenom i na Zemlji mora postojati primopredajnik sa antenom (tzv. Zemaljska stanica) koji radi na sličnim frekvencijama i istim komunikacijskim protokolom. Smjer podataka od satelita prema Zemlji naziva se downlink, a smjer podataka sa Zemlje prema satelitu uplink. Primopredajnici na Zemlji i na satelitu moraju biti u stanju obavljati obje funkcije. Snaga predajnika na satelitu je oko 2 W, dok Zemaljska stanica radi sa snagama između 50 W i 100 W ovisno o tipu antene. Iako su gubitci snage signala u oba smjera jednaki, na Zemlji se može izraditi antena koja ima veći dobitak i može primiti signal iz slabijeg izvora koji je daleko te može učinkovito fokusirati signal da ga manja antena može primiti na satelitu.

Slika @3.11 – Frekvencijski pojasevi korišteni za komunikaciju sa nanosatelitima. Brojevi iznad stupaca su brojevi komunikacijskih kanala, a ne broj satelita, jer neki sateliti koriste više od jednog kanala. 

FERSAT će također komunicirati u dva smjera: u smjeru od satelita prema Zemlji na frekvenciji nosioca fD (downlink) i od antene na Zemlji prema satelitu na frekvenciji nosioca fU (uplink).  FERSAT u dva različita frekvencijska područja: VHF/UHF području će se prenositi kontrolni signali i telemetrija (stanje satelita) što spada u platformu, a u X-pojasu će se prenositi payload podatci (rezultati mjerenja i slike) što spada pod payload 5 i bit će objašnjeno u više detalja u stavci payload 5.

Uobičajeno je da su fD i fU slične frekvencije koje se razlikuju u nekoliko desetaka MHz, ali u VHF/UHF području se koristi velika razlika fD = 145 MHz i fU = 434.79 – 438 MHz da se izbjegne potreba za filterom koji odvaja signale (diplekser). Korištenje ovih dviju frekvencija je dozvoljeno pravilnikom o namjeni radiofrekvencijskog spektra [c01] i definirano kao "AMATERSKA SATELITSKA" primjena. Ove frekvencije su također prihvaćene u cijelom svijetu (ITU regije 1, 2 i 3, SAD FCC 47 §25.205) . Zahvaljujući ovom izboru, maksimalno je povećana dostupnost satelita jer će radioamateri u cijelom svijetu u bilo koje vrijeme moći komunicirati sa FERSAT-om [c02], [c03]. Za korištenje spektra mora se dobiti licenca čija je cijena uključena u proračun.

Slika @3.11 prikazuje učestalost pojedinih frekvencijskih pojaseva u komunikaciji između nanosatelita i Zemlje. U satelitskim komunikacijama, uplink ili upstream frekvencija je uvijek viša od downlink frekvencije jer je atenuacija atmosfere raste sa frekvencijom što znači da niža frekvencija treba pojačalo manje snage da ostvari vezu, a sateliti imaju ograničen energetski budžet. Slična je situacija sa mobilnim telefonima, uplink od telefona prema baznoj stanici se odvija na nižoj frekvenciji.   

Satelitski komunikacijski sustav sastoji se od antene i primopredajnika. Najveći broj CubeSat satelita koristi antene koje se ne usmjeravaju prema Zemaljskoj stanici, već su fiksirane na satelite te se usmjeravanje antena vrši usmjeravanjem satelita. Antene koje se ne usmjeravaju se nazivaju earth-coverage antennas i imaju relativno mali dobitak (0 – 6 dBi) u svrhu široke latice. Osnovna komunikacija FERSAT-a će koristiti VHF/UHF kanal i antenu koja ima slabu usmjerljivosti (≈ 0 dBi).

Komunikacija u VHF/UHF frekvencijskom području (dva najveća stupca u slici @3.11) ima izuzetnu prednost da su antene i na satelitu i i na Zemlji jednostavne i jeftine. VHF/UHF antene na satelitu emitiraju i primaju u svim smjerovima dok su gubitci snage signala u atmosferi mali u odnosu na više frekvencije (osim scintilacije), što čini ove veze robusnim. Primjer satelitske antene prikazan je na slici @3.12.

 

  

Slika @3.12 – VHF/UHF primopredajnik i antena koja se otvori nakon što je satelit izbačen u orbitu. 

Nakon izbacivanja satelita sa lansirnog vozila dolazi do nekontroliranog okretanja satelita oko svoje osi (tumbling). Da bi se ostvarila komunikacija sa satelitom u tom periodu potrebno je koristiti sustav koji je robusan što znači da je najsigurnije opremiti satelit sa VHF/UHF komunikacijskim modulom i neusmjerenim antenama (monopoli/dipoli). Ovo rješenje smanjuje rizik misije, jer ako slučajno dođe do greške u ADCS podsustavu, šanse su male da će se moći uspostaviti veza sa satelitom. UHF/VHF kanali koriste se za beacon, osnovnu telemetriju i komande, dok će se X-pojas koristiti za payload data (slanje komprimiranih slika iz orbite). Primjer VHF/UHF sustava i antene za CubeSat prikazan je na slici @3.12.

  

Slika @3.13 ‒ Primjer VHF/UHF satelitske antene i software defined radio primopredajnika za satelitsku komunikaciju za CubeSat satelitima.

VHF/UHF antena i primopredajnik na Zemlji bit će nabavljeni komercijalno. Zemaljska stanica za VHF/UHF pojase su relativno jednostavne i jeftine usmjerljive antene (dobitak ~ 9 dBi) koje koriste radioamateri [c02],[c03]. Zagrebački radio amateri (www.rkz.hr) već godinama koriste postojeće CubeSat satelite kao repetitore u orbiti. Primopredaja se može ostvariti zemaljskim antenama koje su jednostavne, primopredaja sa software-defined radio primopredajnicima koa što je prikazan na slici @3.13. Sve komponente su dobavljive komercijalno [c05].  Projekt planira izradu prijemnika u VHF pojasu kojim će se demonstrirati primanje telemetrijskih informacija sa već postojećih satelita u orbiti .   Telemetrijski podatci su podatci o trenutnom stanju satelita, primjer je prikazan u slici @3.14. Lista satelita koji se mogu slušati je objavljena na portalu www.amsat.org.

Slika @3.14 – Primjer očitane telemetrije: temperatura satelita, napon na solarnim panelim, napon na bateriji, snaga predajnika, da li je satelit na suncu ili u mraku, itd.

Plan je opremiti FERSAT sa dva primopredajnika u svrhu smanjenja rizika i jednostavnijeg uspostavljanja kontakta sa satelitom. FERSAT će koristiti kontrolni kanal u VHF/UHF području, a u payloadu 5 će se istražiti podatkovni kanal sa nosiocem na 8 GHz koji je potreban za prijenos slika. 

Projekt planira testiranje komercijalno nabavljenog primopredajnika na Zemlji i njegovu demonstraciju u komunikcaiji sa postojećim satelitima . Nakon uspjele demonstracije, izradit će se i nabaviti satelitski  dizajn VHF/UHF sustava, i sastavaiti i demonstrirai njegov rad na Zemlji  , te integraciju s satelitskim komunikacijskim podsustavom .

 

[c01]      Ministarstvo mora, prometa i infrastrukture “Pravilnik o izmjenama i dopuni pravilnika o namjeni radiofrekvencijskoga spektra“, NN 32/2017, 725 (2017) – https://narodne-novine.nn.hr/clanci/sluzbeni/2017_04_32_725.html.

[c02]      Boris Lanča, “Radioamaterski sateliti danas i sutra. par slika sa predavanja“, Radio HRS, br. 4 (145), str. 31-34, 2011.

[c03]      Radio Klub Zagreb (www.rkz.hr), privatna komunikacija (18.09.2018).

[c04]      https://www.ecfr.gov/cgi-bin/text-idx?SID=feea7b78bbad84c87eca363f3f117dcb&mc=true&node=sp47.5.97.d&rgn=div6#se47.5.97_1301

[c05]      https://www.rtl-sdr.com/buy-rtl-sdr-dvb-t-dongles/

[c06]      G. Sebestyen, S. Fujikawa, N. Galassi, A. Chuchra, Low Earth Orbit Satellite Design, Springer, 2018.

[c07]      P. Stakem, CubeSat Engineering, Indepenent Publishing, 2017.

 

§3.7     Laboratorijski prostori za izradu satelita

Prašina i fluidi absorbirani na površini elektroničkih i optičkih uređaja nisu kritičan problem na Zemlji jer se mogu očistiti. Na primjer, na leća kamere se može očistiti prije upotrebe, a tako i metalna prašina da ne bi prouzrokovala kratki spoj. U toku lansiranja, uslijed vibracija prašina i komadići metala koji se pri ručnom radu sa satelitom na Zemlji nisu mogle pomaknuti, mogu se pojaviti na mjestima koje mogu utjecati na rad satelita.

Nakon što je lansiran u svemir, ne postoji mogućnost čišćenja objektiva kamere, detektora i elektronike te je izuzetno važno da svi dijelovi koji se koriste za satelit budu čisti i da satelit bude sastavljen u prostoru sa kontroliranom brojem čestica. Projekt planira dodijeliti jedan laboratorij samo za rad na satelitu, nabavku potrošne opreme za rad u čistom okruženju, otapala, rukavice, odjeću, kutije sa čistim zrakom te planira posebno čistiti prostor u kojem se satelit sastavlja. 


§5. Payload

Dio komponente A projekta FERSAT

Definirano je pet osnovnih funkcija koje su specifične za FERSAT i opisane su u Tablici ©5.1 te detaljno u ovom poglavlju. 

(1) Multispektralno snimanje Zemlje radi kategorizacije svjetlosnog onečišćenja.  Razvit će se algoritam za obradbu multispektralnih slika u svrhu procjene intenziteta LED rasvjete u odnosu na ostale tipove rasvjete (natrijeve, metal-halidne, fluorescentne lampe). Slike snimljene iz svemira sadrže i druge korisne informacije kao što su temperatura tla, mora i vegetacije, te informaciju o biljnom pokrovu na teritoriju Hrvatske, koje se mogo potencijalno koristiti u poljoprivredne svrhe. Korisnici ovih podataka su državne organizacije i znanstvene institucije koje prate svjetlosno onečišćenje te potencijalno organizacije kojima spektralno razlučena informacija na teritoriju Hrvatska može biti zanimljiva u poljoprivredne svrhe.

(2) Mjerenje magnetskog polja Zemlje. Geomagnetsko polje se mijenja s vremenom u intenzitetu i smjeru. Rezultat ovog mjerenja bit će globalna vektorska karta geomagnetskog polja na visini orbite. Svrha ovih podataka je provođenje znanstvenog istraživanja i informacije o trenutnom geomagnetskom polju koji će se koristiti za navigaciju satelita u niskoj orbiti.

(3) Mjerenje gustoće elektrona u ionosferi upotrebom Pure-B detektora koji je razvijen na FER-u. Na visini od 500 km, satelit će se kretati kroz termosferu u kojoj postoje slobodni elektroni i ioni gustoće oko milijun elektrona po kubnom centimetru (plazma). Gustoća elektrona jako ovisi o aktivnosti sunca i praćenje promjena u gustoći i energiji elektrona je izuzetno korisno iz znanstvenih i komercijalnih razloga jer gustoća plazme u ionosferi utjeće na komunikacije i navigaciju svemirskih letjelica. Demonstracija rada ovog detektora u svemirskim uvjetima također ima komercijalnu svrhu jer time detektor postaje dokazan za rad u svemiru.

(4) Mjerenje propusnosti i refleksije atmosfere za ultraljubičasto svjetlo upotrebom kombinacije Pure-B detektora sa detektorima za vidljivo ili infracrveno svjetlo. Ozonski sloj nas štiti od ultraljubičastog zračenja osinm na mjetima gdje je tanak ili ga nema. Sa ultraljubičastim detektorom imamo plan mjeriti prisutnost ozonskog sloja globalno dok satelit kruži oko Zemlje. Ovo ima znansvenu doprinos, a razvijeni mjerni uređaj potencijalno komercijalni doprinos jer će demonstracijom uređaj postati dokazan za rad u svemiru.

(5) Komunikacija sa satelitom u X-bandu upotrebom primopredajnika i antene, koji su razvijeni u Hrvatskoj suradnjom Geolux-a i FER-a.   Kako do sada nitko nije uspješno ugradio 8-GHz primopredajnik u 1U CubeSat, ovaj razvoj je izazov i demonstrirat će hrvatsku tehnološku zrelost za svemirski program.

 

 

 

 

Payload

Funkcija

Očekivani znanstveni doprinosi

Značaj za Hrvatsku privredu/državu

1

Istraživanje udjela LED rasvjete u cjelokupnom svjetlosnom onečišćenju Hrvatske ili globalno, korištenjem multispektralnog snimanja iz svemira

 

  • Algoritam za razlučenje izvora rasvjete iz multispektralnih snimki iz svemira.
  • Hrvatska (ili potencijalno globalna) karta svjetlosnog onečišćenja sa mjerenim udjelom LED rasvjete. 
  • Demonstracija algoritma za satelitsko mjerenje svjetlosnog onečišćenja iz svemira razvijeno u Hrvatskoj.
  • Potencijalno patentabilna kombinacija hardvera i softvera za energetski učinkovito satelitsko mjerenje. Koristit će se kamera i/ili minijaturni spektrometar.
  • Informacije o progresu LED rasvjete u Hrvatskoj i Svijetu.

2

Vektorsko mjerenje magnetskog polja Zemlje

  • Vremensko praćenje geomagnetskog polja, trend promjene intenziteta i smjera polja u znanstvene svrhe.
  • Izrađena globalna  vektorska karta geomagnetskog polja na visini orbite za satelitsku industriju.

3

Mjerenje gustoće nisko-energetskih elektrona u ionosferi upotrebom PureB detektora

  • Informacije o gustoći nisko-energetskh elektrona u znanstvene svrhe.
  • Informacije o ultraljučastom zračenju u niskoj orbiti, lokacije ozonskih rupa.
  • Demonstracija rada Pure-B detektora u svemirskom okruženju.
  • Pure-B detektor je razvijen suradnjom FER-a i Sveučilišta u Twente, NL.
  • Demonstracija rada Pure-B detektora u svemiru.
  • Potencijalno komercijalno iskorištavaje Pure-B detektora.
  • Potencijalno patentabilan uređaj za mjerenje gustoće i energije elektrona u svemiru.

4

Lociranje i praćenje ozonskih rupa mjerenjem  refleksije ili apsorpcije ultraljubičastog zračenja sa Zemlje.

5

Upotreba komunikacijskog sustava u X-pojasu (8–10.5 GHz) za prijenos velike količine podataka generiranih payloadima 1-4.

  • Elektronički i toplinski dizajn za 1U CubeSat koja omogućuju komunikaciju u X-pojasu (za sada 1U CubeSat sa komunikacijom u X-pojasu nije demonstriran)
  • Demonstracija satelitskog komunikacijskog sustava X-pojasu razvijenog u Hrvatskoj.

Tablica ©5.1 – Kratki opis payload funkcija FERSAT-a.

 

§5.1     Payload 1: Svjetlosno onečišćenje

Svjetlosno onečišćenje je promjena razine prirodne svjetlosti u noćnim uvjetima uzrokovana emisijom svjetlosti iz umjetnih izvora svjetlosti. Problemi koji se javljaju uslijed svjetlosnog onečišćenja su štetno djelovanje na ljudsko zdravlje i ugrožavanje sigurnosti u prometu zbog bliještanja, ometanje život i/ili seobu ptica i drugih životinja te remeti rast biljaka, time što ugrožava prirodnu ravnotežu na zaštićenim područjima. Uz ove probleme, svjetlosno onečišćenje ometa astronomsko promatranje neba, primjer prikazan u slici @4.2. Konačno, svjetlo emitirano prema nebu predstavlja nepotreban utrošak energije.

Hrvatski Zakon o zaštiti od svjetlosnog onečišćenja (Narodne novine, broj 114/11) uređuje načela upravljanja rasvijetljenošću u svrhu smanjenja potrošnje električne energije i načela zaštite od prekomjerne rasvjetljenosti. Vlade republike Hrvatske je 28.9.2018 prihvatila prijedlog Zakona o zaštiti od svjetlosnog onečišćenja [p17]. Strategija pametne specijalizacije (S3) [p01] Ministarstva znanosti i obrazovanja također navodi svjetlosno onečiščenje u podtematskom prioritetnom području Ekološki prihvatljive tehnologije, oprema i napredni materijali pod tematskim prioritetnom području Energija i održivi okoliš..

Svjetlosno onečišćenje se mjeri sa Zemlje i iz Svemira. Direktno osvjetljavanje cesta i objekata spada u rasvjetu, dok se svjetlo raspršeno na objektima, usmjereno prema nebu i neženjenim objektima smatra onečišćenjem. Većina svjetlosnog onečišćenja je raspršeno svjetlo i može doseći velike udaljenosti. Primjer je prikazan na slici @5.1 gdje svjetlo koje je emitirano u Trstu doseže 50 km južnije u Višnjan.  Raspršenje rasvjete u gradovima rezultira mjerljivim onečišćenjem u smjeru zenita. Na primjer, onečišćenje u Zagrebu je izuzetno visoko [p02]. Svjetlosno onečišćenje se mjeri i iz Svemira, sa satelitima koji su opremljeni kamerama koje su kalibrirane i neke su spektralno razlučene. Slika @5.2 prikazuje primjer javno dostupne mape svjetlosnog onečišćenja za Hrvatsku [p03]. Informacije o svjetlosnom onečišćenju pokazuju (npr. Suomi NPP satelit) da svjetlosno onečišćenje globalno raste:  od 2012. do 2016. godine globalno svjetlosno onečišćenje poraslo je 2.2% [p04].

 

Slika @5.1: Svjetlosno zagađenje mjereno sa Zemlje kod zvjezdarnice Tičan u Višnjanu/Istra dolazi
od Trsta (desno) i Poreča (lijevo).

 

Slika @5.2: Svjetlosno onečišćenje Hrvatske, intenzitet mjeren iz svemira [p03].

 

 

Slika @5.3: Opis spektra elektromagnetskog zračenja koje je vidljivo ljudskom oku i emisioni spektri uobičajene ulične rasvjete. Rasvjeta na bazi svjetlećih dioda ima snažnu emisiju na 560 nm koja dolazi od žutog fosfora koji je uzbuđen plavom svjetlećom diodom na 460 nm. Žuta i plava emisija zajedno daju bijelo svjetlo [p05]. Ljudska mrežnica nije osjetljiva na infracrveno zračenje, dok se ultraljubičasto svjetlo apsorbira u vodi oka.

U današnjoj uličnoj rasvjeti koriste se niskotlačna natrijeva žarulja (LPS), visokotlačna natrijeva žarulja (HPS), LED žarulje s dvije različite korelirane temperature (CCT) od 2400 K i 5100 K, metal-halidna lampa (MHL) sa CCT 4100 K te bijela LED sa CCT 3000 K filtriranu s anti-UV filterom granične valne duljine 500 nm (FLED). Spektar triju najčešćih izvora prikazan je slikom @5.3. Plavo svjetlo koje je mnogo jače u svjetlećim diodama u odnosu na konvencionalnu rasvjetu ima negativan utjecaj na živi svijet i na ljude, primjeri su opisani u referencijama [p06], [p07], [p08], [p16].  Satelitska mjerenja koja koriste u analizama i za utvrđivanje svjetlosnog zagađenja uglavnom koriste informacije o intenzitetu svjetlosnog zagađenja. Mape svjetlosnog onečišćenja koje su spektralno razlučene u širokim pojasevima su također javno dostupne [p03]. Detaljno spektralno razlučivanje u više valnih duljina je moguće. Na primjer, DSCOVR satelitu sa polikromatskom EPIC kamerom snima Zemlju u 10 različitih valnih duljina [p09]. Iako bi ovakav sustav bio poželjan za identifikaciju izvora svjetla, on je presložen da bi se koristio na nanosatelitima zbog težine i energije potrebne za obradbu slika i transfer informacija na Zemlju.

Cilj navedenih aktivnosti je razviti energetski učinkovit sustav za snimanje i obradbu slike koji će na temelju spektralno razlučene slike u četiri boje izdvojiti LED rasvjetu od ostalih izvora. Informacija o tome koliki je udio umjetne rasvjete na bazi svjetlećih dioda u odnosu na fluorescentno i inkandescentno svjetlo (npr. natrijeve lampe) je od znanstvenog interesa za ekologiju, zaštitu okoline, od interesa za Ministarstvo zaštite okoliša i energetike [p10] i Hrvatsku agenciju za okoliš i prirodu kako je opisano u pismu potpore ovom projektu [p11].  Važno je napomenuti da navedene hrvatske javne organizacije koriste informacije sa američkih satelita, kao što su Landsat, ali da Sjedinjene Američke Države razmatraju naplaćivanje tih slika [p12]; stoga razvoj satelitske tehnologije u Hrvatskoj otvara mogućnost smanjiti hrvatsku ovisnost o stranim satelitima i tehnologijama za promatranje Zemlje.    

  

Slika @5.4 – Emisija iz natrijeve i živine rasvjete gdje se vidi infracrenvi dio spektra.

Postoji niz tehničkih izazova u ovom projektu: potrebno je optimizirati količinu podataka koji se pribavljaju (snimke) pri ograničenom energetskom budžetu i sposobnosti algoritma za identifikaciju tipa izvora svjetla . Slikanje svjetlosnog onečišćenja odvija se dok je satelit u sjeni Zemlje i napaja se iz baterije. CubeSat ima prosječni energetski budget od 2 W, pa se postavlja pitanje koliko slika se može napraviti, u kojoj rezoluciji i koliko obrada slike se može obaviti sa ograničenim budžetom CubeSata. Iz ovih razloga, jedan od ciljeva ovog projekta je razviti energetski učinkovite algoritme za spektralno razlučenje na temelju četiri sloja (valne duljine) i kompresiju kojom će se slike slati na Zemlju. Algoritam za identifikaciju tipa izvora svjetla mora biti u stanju razlučiti doprinos jednog izvora sa spektrom koji nije ortogonalan na spektre svih ostalih izvora. Plan razlučivanja LED rasvjete u odnosu na konvencionalnu rasvjetu (natrijevo i živino svjetlo) temeljit će se na činjenici da konvencionalna rasvjeta ima izuzetno malo plave boje, dok spektar LED rasvjete ima mnogo plave boje (vidljivo iz slike @5.3). S druge strane LED spektar nema emisije u infracrvenom području, a konvencionalna rasvjeta ima linije u infracrvenom dijelu spektra [p13], što je vidljivo iz slike @5.4.

Znanstveni dio ovog razvoja sastoji se u implementaciji nenegativne matrične faktorizacije, u analizi (ne)zavisnih komponenata te slijepom razdvajanju izvornih podataka s primjenom u razvrstavanju svjetlosnih izvora. Razvrstavanje svjetlosnih izvora po njihovom tipu te izračunavanje njihovih udjela spada u kategoriju razdvajanja elemenata slike na temelju multispektralnih snimaka: višedimenzionalne mjerne podatke potrebno je pretvoriti u sažet opis. Smanjenje dimenzionalnosti skupa mjerenih podataka (spektralno razlučene slike) je ključni korak u analizi, kompresiji, vizualizaciji, ekstrakciji značajki te u postupcima redukcije šuma i smetnji. U nastavku teksta matematički ćemo formulirati problem i opisati moguća rješenja koja će biti istražena.

Linearna definicija navedenog smanjenja dimenzionalnosti vodi na matrično množenje: X = W H, gdje X predstavlja visokodimenzionalne podatke (p x n), odnosno rezultate mjerenja. Stupci W razapinju linearni potprostor (p x r) u kojem je moguće uz dovoljno malu pogrešku predstaviti X putem težina H (r x n).  Analiza glavnih osi (eng. principal component analysis - PCA, faktorska analiza), kao i dekompozicija u singularne vrijednosti (singular value decomposition – SVD) su poznate metode koje se mogu koristiti za redukciju dimenzionalnosti. Za zadani skup mjernih podataka poznatih statističkih svojstava, navedene metode nakon podrezivanja matrica vode ka aproksimacijama najmanje kvadratne pogreške. Takva rješenja ne uvode neke dodatne kriterije na elemente matrica, pa nisu uvijek primjenjive. Uvođenje kriterija nezavisnosti stupaca W vodi ka formulaciji problema koji je poznat kao analiza nezavisnih komponenata (eng. Independent Component Analysis – ICA). Prijavitelj (FER) je uspješno riješio problem slijepog razdvajanja statistički zavisnih izvora podataka iz mješavine nepoznatih svojstava. Pretpostavka rijetkosti reprezentacije vodi ka sparse PCA. U svrhu postizanja rijetkosti, mogu se koristiti i neke poznate baze, odnosno transformacije sa svojstvima sažimanja, kao što je diskretna  kosinusna - DCT, valićna -WT, …) [p14], [p15]. Istraživački tim ovog projekta predložit će više adaptivnih metoda za postizanje rijetkosti reprezentacije, kao i za za efikasnu minimizaciju apsolutne pogreške aproksimacije koja se u tu svrhu koristi.

Multispektralno razdvajanje je prepoznavanje krajnjih kategorija elemenata slike te klasifikacija piksela. U tu svrhu koristi se faktorizacija nenegativne matrice podataka X u produkt dviju nenegativnih matrica W i H: X ~ W H. To je problem aproksimacije matrice visokog X dvjema matricama W i H niskog ranga (r malen). U našem slučaju, stupci nenegativne matrice X sadrže spektralne potpise konkretne snimljene scene. Spektralni potpis nekog piksela je udio svjetla emitiranog (ili reflektiranog) od tog piksela na različitim valnim duljinama (nenegativna veličina). U predloženom sustavu, mulitispektralna slika ima 4 spektra: jedan više od uobičajene slike u boji (RGB). Cilj slijepog razdvajanja  multispektralne slike je dvojak: 1.) identifikacija konstitutivnih izvora svjetla te reflektirajućih materijala, 2.) klasifikacija piksela te identifikacija njihovih udjela.

Snimanje zemljine površine RGB+NIR kamerom (eng. near-infrared; NIR je vrlo blizak mogućnostima i kvaliteti ljudskog pogleda, ali uklanja valne duljine boja) te napredne metode digitalne obrade slika omogućit će preciznu detekciju i klasifikaciju svjetlosnih izvora, u svrhu dijagnostike svjetlosnog zagađenja uzrokovanog umjetnom rasvjetom. Ključni doprinos ovog istraživanja se sastoji u tome što će se svjetlosno onečišćenje LED rasvjetom pratiti nad Hrvatskom i potencijalno u cijelom svijetu, a znanstveni doprinos u tome što će se razviti energetski učinkoviti algoritmi koji se mogu primjeniti na bilo kojem satelitu, a projekt dati korisne informacije državnim organizacijama koje onda mogu graditi na postojećoj tehnologiji da bi ugradili ove informacije u ekološke i energetske analize. Energetski učinkovit sustav kamere i računala sa algoritmom koji identificira tip izvora svjetla i može se koristiti na nanosatelitima je komercijalni proizvod i patentabilno intelektualno vlasništvo. Očekivano intelektualno vlasništvo će biti vezano za kombinaciju algoritma i hardvera za analizu svjetlosnog onečišćenja.

Za analizu svjetlosnog onečišćenja sa Zemlje će se Zemlja snimati u toku noći sa kamerom za koju će biti razvijen kontrolni firmver koji će za svaku snimku davati četiri slike, od kojih će svaka biti u jednoj boji: plava, zelena, crvena, i infracrvena do 1000 nm valne duljine. Kamera se sastoji od senzora i kontrolne elektronike. Kontrolnu elektroniku i firmver koji moraju biti prilagođena za spektralno razlučene podatke će izraditi Geolux partner na ovom projektu, u suradnji sa FER-om, a senzor će biti kupljen.

Ovaj senzor nije klasični CCD senzor jer ima četiri tipa detektora i daje četiri spektralno razlučene snimke za svaku ekspoziciju rezolucije 2.1 megapiksela (1920 x 1080, CMOS RGB+IR). Iz slice @2.5 može se zaklučiti da je vidno polje kamere od 60° = 2·sin‒1(250km/500km) dovoljno da se u jednom preletu snimi cijela Hrvatska. U tom slučaju će vidno polje kamere biti 500 km x 281 km. Svaki piksel imat će 6 senzora: 1 × R (crveni), 2 × G (zeleni), 1 × B (plavi) , 2 × IR (infracrveni), što čini 640 x 540 piksela i svaka slika će pokriti površinu 500 km x 281.25 km, a rezolucija na Zemlji bit će 781 m × 521 m (svaki piksel). Kako se informacija sa svakog senzora digitalizira sa 12 bita, količina informacija u jednoj ovakvoj slici jednaka je 12 × 6  × 640 × 540 bita = 50 Mbita ili 6.22 MB (bez kompresije).

Za transfer informacija na Zemlju pri 1 Mb/s i frekvencijskoj iskoristivosti modulacije od 1 bit/s/Hz, potrebno će biti 50 sekundi za svaku sliku. Bolja rezolucija moći će se postići smanjenim vidnim poljem, a veća brzina prijenosa podataka adaptivnim algoritmom koji ugađa modulaciju ovisno o osnosu signala i šuma u komunikaciji i odabirom modulacionog algoritma sa višom frekvencijskom iskoristivosti . Vidno polje bit će ugođeno sa planom misije i promatranja Zemlje . Postupak prijenosa informacija na Zemlju bit će optimiziran i prilagođen za FERSAT orbitu i vrijeme vidljivosti .

Spektralno razlučivanje će obavljati poseban modul za analizu i koji će razviti FER. Vrlo male dimenzije elektronike i velika procesna snaga ugrađenog procesora omogućava osim samog dohvata slike i različite video analitičke obrade slike na samoj kameri. Očekuje se težina kamere bez objektiva oko 35 g. .

Dio projekta je dizajn i optimizacija optičkog sustava  (field of view, karakteristike leće) na temelju specifikacija koje će se definirati u početku rada na Payload 1 dijelu projekta. Jedan od mogućih optičkih sustava uključuje CS-mount leću koja optimalno područje pokrivanja na Zemlji za vidljivi dio spektra iz niske orbite (LEO), a točna pokrivenost Zemlje će se definirati u toku projekta .

 

Algoritam za razlučivanje tipa svjetlosnog izvora bit će razvijen na FER-u na Zavodu za Elektroničke Signale i Obradbu Informacija (ZESOI). Ovaj algoritam će prepoznati izvor svjetla na temelju više karakteristika rasvjete i uključivat će najzastupljenije tipove rasvjete koje se koriste u Hrvatskoj i na Zemlji. Algoritam će omogućiti praćenje promjena u tipu rasvjete u toku aktivnog rada satelita (minimalno 2 godine).

 

[p01]      Ministarstvo Gospodarstva RH: "Strategija pametne specijalizacije Republike hrvatske za razdoblje 2016. do 2020. godine i akcijski plan za provedbu stragije pametne specijalizacije Republike hrvatske za razdoblje od 2016. do 2020. godine" (http://www.obzor2020.hr/userfiles/obzor2020/pdfs/Strategija_pametne_specijalizacije_RH_2016_2020.pdf), 2014.

[p02]      https://www.jutarnji.hr/life/znanost/zagrebacki-znanstvenik-godinama-mjerio-svjetlosno-oneciscenje-u-hrvatskoj-metropoli-gori-smo-od-beca-cak-i-od-hong-konga/7544568/

[p03]https://www.lightpollutionmap.info/#zoom=6&lat=5498750&lon=2069427&layers=B0FFFFTFFFF)

[p04]      https://www.space.com/38872-light-pollution-increasing-globally.html.

[p05]      International Dark-Sky Association “Visibility, Environmental, and Astronomical Issues Associated with Blue-Rich White Outdoor Lighting”, 2010.

 [p06]     E. Knop, L. Zoller, R. Ryser, C. Gerpe, M. Hörler, C. Fontaine, “Artificial light at night as a new threat to pollination“, Nature v. 548, p. 206, 2017.

[p07]      https://www.health.harvard.edu/staying-healthy/blue-light-has-a-dark-side

[p08]      http://darksky.org/wp-content/uploads/bsk-pdf-manager/8_IDA-BLUE-RICH-LIGHT-WHITE-PAPER.PDF

[p09]      https://epic.gsfc.nasa.gov/

[p10]      Ministarstvo zaštite okoliša i energetike RH (www.mzoip.hr).

[p11]      HAOP privatna informacija, pismo potpore 04.07.2018 ovom projektu.

[p12]      G. Popkin,"US government considers charging for popular Earth-observing data", Nature 556, pp. 417-418, 2018.

[p13]      Ž. Andreić, D. Andreić, K. Pavlić, “ Near infrared light pollution measurements in Croatian sites“, Geofizika, v. 29, UDC 551.521.18 (2012),

[p14]      Tomić, Mladen; Seršić, Damir, „Point-Wise Adaptive Wavelet Transform for Signal Denoising“, Informatica. 24 (2013) , 4; 637-656

[p15]      Kopriva, Ivica; Seršić, Damir, „The Innovations Approach to Single Frame Multichannel Blind Image Deconvolution“, // Automatika. 51 (2010) , 4; 345-352

[p16]      http://darksky.org/wp-content/uploads/bsk-pdf-manager/8_IDA-BLUE-RICH-LIGHT-WHITE-PAPER.PDF

[p17]      http://www.sabor.hr/prijedlog-zakona-o-zastiti-od-svjetlosnog-onecisce

 

§5.2     Payload 2: Geomagnetsko polje

Magnetsko polje Zemlje izuzetno je važno za čovjeka i Zemaljsku tehnologiju. Naime, magnetsko polje nas štiti od visokoenergetskih čestica Solarnog i galaktičkog podrijetla. Magnetsko polje Zemlje sastoji se od tri komponente: glavno polje koje dolazi iz duboke unutrašnjosti Zemlje, magnetsko polje kore i  vanjsko magnetsko polje [m4].

Glavno magnetsko polje doprinosi više od 90% magnetskog polja mjerenog na površini Zemlje. Maksimalni intenzitet ovog polja iznosi oko 60 000 nT na polovima i oko 30 000 nT na ekvatoru, kao što se vidi na slici @5.5. Vremenske promjene glavnog polja odvijaju se na vremenskim skalama od desetljeća, do stoljeća i nazivaju se sekularne varijacije. Najnoviji rezultati, dobiveni satelitskim mjerenjima, pokazuju da se ovo polje mijenja i na skalama manjim od desetljeća.

Drugi doprinos magnetskom polju dolazi od magnetskih stijena u Zemljinoj kori ili inducirane magnetizacije u stijenama, a naziva se magnetsko polje kore. Intenzitet može biti manji od 1 nT, ali na nekim mjestima može dostići i više od 100 nT. Vanjsko magnetsko polje je treći doprinos ukupnom magnetskom polju i posljedica je strujnih sustava u ionosferi i magnetosferi. Na površini Zemlje ovo polje iznosi nekoliko desetaka nT do nekoliko stotina nT za vrijeme geomagnetskih poremećenja, tzv. geomagnetskih oluja. Vanjskom polju također doprinose struje koje teku u Zemljinoj kori. Ovo se polje mijenja u vremenskom intervalu manjem od jedne sekunde do perioda Sunčevog magnetskog ciklusa aktivnosti od približno 11 godina. Svi doprinosi ukupnom magnetskom polju su vremenski promijenjivi [m1],[m2],[m3].

 

Slika @5.5 – Intenzitet magnetskog polja Zemlje 2010. godine u nano Teslama.

Poslijednji podatci pokazuju da glavno magnetsko polje trenutno globalno jako opada (ukupni magnetski moment opada), dok u nekim područjima raste. Smanjeno glavno magnetsko polje ima potencijalno katastrofalne poslijedice za ljudsku rasu jer što je glavno polje slabije, manje štiti Zemlju od razornog djelovanja viskoenergetskih čestica koje dolaze u Zemlji bliskom magnetskom okruženju. To se odnosi na čovjeka, na Zemaljsku infrastrukturu, satelite i instrumente u orbiti oko Zemlje, astronaute i sl. Opasnost se posebice povećava za vrijeme geomagnetskih oluja koje su uzrokovane energetskim sporadičnim događajima na Suncu. Stoga je motrenje promjena ovog djela polja izuzetno važno. Uz to, praćenje događaja na Suncu i njihovo povezivanje sa geomagnetskim mjerama aktivnosti je od velike važnosti radi predikcije hazarda na Zemlji i mogućnosti pravovremene reakcije. Promjene jakosti struja oko Zemlje, utječu na promjene gustoće nabijenih čestica, a to nadalje utječe na orbite satelita. Sve regije u magnetosferi koje se sastoje od čestica različitih energija podložne su promjenama kako u broju čestica, tako i u njihovom položaju u odnosu na površinu Zemlje. Sumarno, izrazito je bitno pratiti promjene svih doprinosa magnetskom polju Zemlje i sa znanstvenog i praktičnog stajališta jer (a) glavno magnetsko polje općenito slabi i  smanjenje polja znači manja zaštita od čestica visoke energije, (b) čestice visoke energije predstavljaju opasnost za satelite i svemirske misije kojih nikada nije bilo više nego u ovom dobu visokog tehnološkog napretka i (c) promjene magnetskog polja u razdobljima geomagnetskih oluja štete satelitima, posadi svemirskih letjelica i i avionima ako su jakog intenziteta. Također, navedene promjene mijenjaju gustoću ionosfere čime se mijenjaju uvjeti propagacije radio valova, a posljedično utječu i na točnost GPS-a.  Mjerenje globalnog magnetskog polja je stoga od znanstvenog značaja, a satelitom u sun-synchronous orbiti mogu se prikupiti podatci sa cijele Zemlje.

Osim znanstvenog doprinosa, glavni korisnici informacija o geomagnetskom polju su sateliti u niskoj orbiti koji se služe informacijom o magnetskom polju Zemlje da bi orijentirali satelit. Buduće da se polje mijenja, potrebno je održavati preciznu globalnu kartu polja.

Mjerenje predloženo u ovom projektu uključit će vektorsko mjerenje magnetskog polja i rezultati će biti slični onima prikazanim na slici @5.6.  Da bi se ostvarilo točno mjerenje magnetskog polja bit će potrebno evaluirati temperaturnu ovisnost rezultata, otpornost na zračenje iz svemira, i učestalost mjerenja i obradbu podataka . Za uspjeh ovih mjerenja izuzetno je važno locirati i orijentirati satelit  korištenjem ADCS podsustava.

 

Slika @5.6 – Smjer magnetskog polja Zemlje (vektorska slika) 2010. godine.

U periodima kad kamera nije usmjerena na Zemlju (nadir usmjerenje) već prema horizontu, bit će omogućeno snimanje i Zemlje i svemira. Na primjer, slika @5.7 prikazuje Auroru Borealis snimljenu iz Internacionalne Svemirske Stanice (ISS) koja putuje u orbiti 400 km izmad Zemlje. FERSAT će putovati u orbiti izmad 500 km i bit će u stanju snimiti slične snimke Aurore Borealis. Promjene u spektru emisije svjetla Aurore Borealis moći će se iskorititi za procjenu geomagnetske poremećenosti.  Praktičnost ovog mjerenja će se ustanoviti pri razvoju algoritma za analizu svjetlosnog onečišćenja u payloadu 1.

 

Slika @5.7 – Aurora Borealis snimljena sa ISS.

Za precizno mjerenje magnetskog polja koristit će se vektorski magnetometar koji ima raspon mjerenja gustoće magnetskog polja od oko 65,000 nT što je maksimalna gustoća geomagnetskog polja i s rezolucijom boljom of 5 nT.  Primjer komercijalnog magnetometra prikazan je na slici @5.8. Magnetometar će biti nabavljen putem javne nabave, a sustav za obradbu informacija razvijen i izrađen u Hrvatskoj .

Slika @5.8 – Primjer vektorskog magnetometra.

 

[m1]       Verbanac., G., Pierrard, V., Bandic, M., Darrouzet, F., Rauch, J.-L., Décréau, P., Relationship between plasmapause, solar wind and geomagnetic activity between 2007 and 2011. Annales Geophysicae, 33 (2015), 1271-1283, Special Issue: Dynamic processes in geospace. doi: 10.5194/angeo-33-1271-2015

[m2]       Verbanac, G., Mandea, M., Bandic, M., Subasic, S., Magnetic observatories: biases over CHAMP satellite mission. Solid Earth, 6, 775-781, 2015. doi:10.5194/se-6-775-2015

[m3]       Verbanac, G., Mandea, M., Vrsnak, B., Sentic, S., "Evolution of Solar and Geomagnetic Activity Indices, and Their Relationship: 1960 – 2001", Solar physics 271 (2011), 183-195.

[m4]       R. T. Merrill, M. W. McElhinny, The earth's magnetic field: its history, origin, and planetary perspective, Academic Press, 1983.

 

§5.3     Payload 3 i 4: Gustoća nisko-energetskih elektrona i ozonske rupe

Mjerenje gustoće elektrona u ionosferi i refleksije/apsorpcije ultraljubičastog svjetla planira se uz pomoć posebnog, novo razvijenog Pure-B detektora. Pure-B detektor je silicijski detektor na kojem je deponiran atomski tanak sloj čistog bora (Pure B). Sloj bora je dovoljno tanak da se može koristiti za apsorpciju i mjerenje ultraljubičastog svjetla i elektrona niske energije (0.1 eV – 1 eV).  Ukupna struja koju bi elektronski detektor primao ako bi primao samo elektrone koji putuju u jednom smjeru (detektor je na kraju cijevi) bila bi I = nevS ≈ 40 nA/mm², gdje je n gustoća elektrona u termosferi na 500 km, e naboj elektrona, v prosječna brzina elektrona, a S površina detektora. Ova razina struje se može izmjeriti precizno korištenjem metoda koje su poznate u elektronici. Vrijednosti su uzete iz literature prikazane su na slici @5.8.

Skica planiranog elektronskog spektrometra prikazana u slici @5.9 i sastoji se od jedne metalizirane plastične pločice sa tri tunela kroz koji će se kretati elektroni koji uđu iz svemira. Gustoća magnetskog polja vrijednosti oko 5 mT bi će dovoljno da zakrene snop elektrona u jedan ili drugi tunel i time ostvari diferencijalno mjerenje gustoće dolazećih elektrona. Magnetsko polje B na slici @5.9 će oscilirati da bi naizmjenično slalo elektrone u jedan ili drugi tunel i time stvorilo diferencijalni signal na izlazima detektora 1 i 2 koji će se onda filtrirati i mjeriti nisko-šumnim pojačalom. Ovo je originalan prijedlog FER-a koji nije prije nigdje objavljen i ako se uspješno demonstrira postat će patentabilan izum. 

(a)

            

(b)                                                               (c)

Slika @5.8 (a) Gustoća elektrona u ionosferi u ovisnosti o dobu dana i aktivnosti sunca kreće se između 104 i 106 1/cm³ [e11], (b) Temperatura elektrona u termosferi je oko 1300 K što odgovara prosječnoj energiji od 170 meV [e13]. (c) Maxwell-Boltzmannova distribucija elektroniskih energija za srednju energiju jedanku 170 meV.

Slika @5.9 – Skica elektronskog spektrometra koja radi na principu spektrometra mase, ali će biti izrađen od metalizirane plastike i veličine manje od 10 cm. Gustoća magnetskog polja vrijednosti oko 5 mT bit će stvorena malom zavojnicom.

 

Istraživanje inovativne PureB tehnologije i razvoj novih detektorskih struktura s PureB slojem napravljeno je u suradnji Fakulteta elektrotehnike i računarstva i prof. dr. sc. Lis K. Nanver sa Sveučilišta Twente. Tehnologija depozicije tankih slojeva amorfnog bora omogućuje izvrsne karakteristike detektora zbog iznimno tankog sloja koji je moguće deponirati na silicij ili germanij [e01]. PureB slojevi se koriste za detekciju nisko-energetskih elektrona koji se koriste u SEM sustavima [e02],[e03] i korišteni su u SPAD elementima s vrlo niskim brojem impulsa generiranim bez prisutnosti svjetla (engl. Dark Count Rate – DCR) koji se mogu koristiti u UV području [e04] i za detekciju nisko-energetskih elektrona [e05]. Slika @5.10a prikazuje sliku tankog sloja bora na siliciju izrađena elektronskim mikroskopom, a slika @5.10b primjer niza istih detektora u kučištu.

                       (a)                                                                      (b)

Slika @5.10 (a) TEM slika deponiranog sloja amorfnog bora na siliciju.
(b) Detektori s PureB slojem zapakirani u kućištu.

 

Optička karakterizacija foto-dioda s PureB slojevima napravljena je radi analize utjecaja PureB slojeva na detekciju EUV zračenja [e06], [e07], [e08] ili nisko-energetskih elektrona [e02], [e03] (slika @5.10). PureB foto-diode imaju bolje karakteristike nego komercijalne n+p foto-diode uz odziv od 0.266 A/W koji je gotovo jednak kao za idealni sustav bez gubitaka (0.273 A/W). PureB slojevi koji se koriste za detekciju nisko-energetskih elektrona također imaju bolja svojstva nego komercijalno dostupni vrhunski detektori koji imaju visoko pojačanje elektronskog signala čak i za nisko-energetske elektrone. PureB detektori omogućuju vrhunska svojstva za detekciju nisko-energetskih elektrona energija ispod 100 eV.

U sklopu misije nanosatelita predviđeno je opažanje elektrona na putanji satelita koji mogu imati energije u širokom rasponu. Projektom je predviđena izrada ulaznog filtera na detektoru koji će spriječiti detekciju svjetla i omogućiti da detetektor samo prima elektrone. Detektor će biti ugrađen u kučište i preliminarni testovi detekcije elektrona različitih energija izvršit će se izradom testnog sustava  koji će koristiti elektronski top katodne cijevi kao izvor elektrona. Upravljanje sustavom za detekciju elektrona bit će napravljeno korištenjem mikrokontrolera koji će biti ili tipa [e09] ili će biti kontroliran centralnog računala na satelitu. Arduino sustav je već testiran za korištenje u nanosatelitima [e10].

Ozonski sloj se nalazi na udaljenosti između 20 i 30 km od zemljine površine te apsorbira ultraljubičasto zračenje koje dolazi sa sunca i iz svemira štiteći zemlju od nepoželjnih utjecaja. Molekule ozona (O3) apsorbiraju zračenje u području valnih duljina između približno 200 i 300 nm. Zbog svoje iznimne osjetljivosti na zračenje upravo u tom području valnih duljina, PureB detektori bi se mogli iskoristiti za otkrivanje položaja ozonskih rupa u atmosferi. Korištenjem metoda razvijenih u prethodnim svemirskim misijama [e11],[e12], plan je prilagoditi PureB detektore za detekciju valnih duljina samo u području interesa korištenjem UV propusnih optičkih filtara. Metoda koja će ovim projektom biti istražena bi se temeljila na korištenju dva detektora, jedan prilagođen za plavo svjetlo, a jedan za ultraljubičasto svjetlo i koji detektiraju zračenje koje se reflektira od zemljine atmosfere. Na mjestima gdje postoje ozonske rupe odnos detektiranih snaga bit će veći jer ultraljubičasto svjetlo koje penetrira na Zemlju će biti apsorbirano. Plan projekta je istražiti mogućnost ove jednostavne metode za kontinuirano praćenje debljine ozonskog sloja iznad Zemlje.

Detektori koji koriste slojeve s amorfnim borom (engl. pure amorphous boron - PureB) razvijani su na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u suradnji s istraživačima sa Sveučilišta u Twenteu. Debljina PureB sloja koja je dovoljna za postizanje dobrih električkih i optičkih karakteristika je manja od 10 nm. Zbog tankog aktivnog sloja, detektori pokazuju vrhunsku osjetljivost za detekciju svjetlosti valnih duljina ispod 300 nm koje imaju dubinu prodiranja u silicij manju od 10 nm. Detektori UV zračenja napravljeni u PureB tehnologiji pokazuju performanse koje nadmašuju komercijalne UV detektore u pogledu optičkih osjetljivosti i niskih tamnih struja. Kao takvi, PureB detektori imaju veliki potencijal za uporabu u satelitu za mjerenje i detekciju UV zračenja.

 

 [e01]     F. Sarubbi, T. L. M. Scholtes, and L. K. Nanver, “Chemical Vapor Deposition of α-Boron Layers on Silicon for Controlled Nanometer-Deep p + n Junction Formation,” J. Electron. Mater., vol. 39, no. 2, pp. 162–173, Feb. 2010.

[e02]      A. Šakić et al., “Boron-layer silicon photodiodes for high-efficiency low-energy electron detection,” Solid-State Electron., vol. 65–66, pp. 38–44, Nov. 2011.

[e03]      A. Šakić et al., “Versatile silicon photodiode detector technology for scanning electron microscopy with high-efficiency sub-5 keV electron detection,” in Electron Devices Meeting (IEDM), 2010 IEEE International, 2010, pp. 31–4.

[e04]      L. Qi, K. R. C. Mok, M. Aminian, E. Charbon, and L. K. Nanver, “UV-Sensitive Low Dark-Count PureB Single-Photon Avalanche Diode,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 61, no. 11, pp. 3768–3774, Nov. 2014.

[e05]      L. Qi, S. Sluyterman, K. Kooijman, K. R. C. Mok, and L. K. Nanver, “PureB single-photon avalanche diodes for low-energy electron detection down to 200 eV,” Opt. Lett., vol. 40, no. 3, p. 300, Feb. 2015.

[e06]      F. Sarubbi, L. K. Nanver, T. L. M. Scholtes, S. N. Nihtianov, and F. Scholze, “Pure boron-doped photodiodes: a solution for radiation detection in EUV lithography,” in ESSDERC 2008-38th European Solid-State Device Research Conference, 2008, pp. 278–281.

[e07]      L. Shi, F. Sarubbi, S. N. Nihtianov, L. K. Nanver, T. L. M. Scholtes, and F. Scholze, “High performance silicon-based extreme ultraviolet (EUV) radiation detector for industrial application,” in Industrial Electronics, 2009. IECON’09. 35th Annual Conference of IEEE, 2009, pp. 1877–1882.

[e08]      F. Sarubbi, L. K. Nanver, T. L. M. Scholtes, and S. N. Nihtianov, “Extremely ultra-shallow p+-n boron-deposited silicon diodes applied to DUV photodiodes,” in Device research conference, 2008, pp. 143–144.

[e09]      “Arduino Forum - Index.” [Online]. Available: https://forum.arduino.cc/. [Accessed: 20-Jun-2018].

[e10]      “ArduSat - Your Arduino Experiment in Space by ppl4world — Kickstarter.” [Online]. Available: https://www.kickstarter.com/projects/575960623/ardusat-your-arduino-experiment-in-space. [Accessed: 20-Jun-2018].

[e11]      W. B. Hanson WB., “Structures of the Ionosphere” u F. S: Johnson, F.S., Satellite Environment Handbook, Stanford University Press, 1965.

[e12]      M. Nicolet, ”The collision frequency of electroncs in the ionosphere”, J. Atmospheric and Terrestial Physics, v. 3, pp. 200-211, 1953.

[e13]      https://en.wikipedia.org/wiki/Ionosphere

 

 

§5.4.    Payload 5: Komunikacija sa satelitom u X-pojasu

Nedostatak prijenosa podataka u UHF i VHF području (platforma FERSAT-a) je niska brzina prijenosa podataka: oko 9600 bita/sek.  Za slanje slika u boji je ovo nepraktično: na primjer, slika u boji ima barem 24 bit po pikselu, pa nekomprimirana slika napravljena kamerom rezolucije 2 megapiksela (2 milijuna piksela) sadrži informaciju of 48.000.000 bita (6 MB).  Da bi se ovakva slika prenijela na Zemlju brzinom prijenosa 9 kb/s potrebno je 83 minute.  Svaki satelitski prelet traje ne više od 5 minuta u najboljem slučaju (vidi sliku @2.5), što znači da će biti potrebno oko dest releta za jednu sliku.  Ako je slika komprimirana u JPG formatu koji ima 10:1 kompresiju, to vrijeme se može smanjiti na možda jednu sliku sa jednim preletom. Kako broj preleta u SS orbiti je u idealnom slučaju jednom dnevno, to bi značilo jednu sliku na dan što je ne praktično za misiju u kojoj se promatra Zemlja.

Brži prijenos podataka ostvaruje se nanosatelitskim primopredajnicima u S (2.2 GHz) i X (8.2 GHz) frekvencijskim pojasima prikazanim sa dva stupca slijedeća po veličini u slici @3.11 gdje brzine prijenosa dostižu 1 Mb/s. Jedna slika u boji, opisana gore, se može prenijeti na Zemlju za 48 sekundi, što znači barem 10 nekomprimiranih slika u preletu satelita ili 100 slika po preletu ako je slika u JPG formatu.

FERSAT planira koristiti X-frekvencijski pojas zbog (1) prijenosa podataka koji doseže 3 Mb/s i (2) izrade zemaljske stanice u istom području koja će onda biti u stanju primati signala iz velikog broja javno dostupnih satelita koji promatraju Zemlju. Naime, postoji veliki broj satelita u orbit koji koriste X-pojas za prijenos rezultat promatranja Zemlje, jer se mogu efikasno prenijeti slike iz svemira.

Postoji niz frekvencijskih pojaseva u blizini i u X-frekvencijskom pojasu koji su alocirani za “Istraživanje Zemlje Satelitsko (Z-sv)" (7145–7190 MHz, 7190–7235 MHz, 7235–7250 MHz) i "Istraživanje Zemlje Satelitsko (sv-Z)" (8025–8175 MHz, 8175–8215 MHz, 8215–8275 MHz, 8275–8400 MHz) u Pravilniku o namjeni radiofrekvencijskog spektra u Hrvatskoj [K01]. Za korištenje ovih pojaseva potrebno je dobiti licencu te će točne frekvencije koje će koristiti FERSAT bit će definirane u postupku licenciranja . Budući da su sve frekvencije u uskom pojasu oko 8 GHz, primopredajnik i antene će biti dizajnirane za ovu središnju frekvenciju .

Downlink budžet je kritičniji za ugoditi of uplink budžeta jer je snaga iz predajnika na satelitu ograničena toplinskim budžetom. Uplink budžet je jednostavniji jer sa zemaljske stanice je mnogo lakše emitirati 10 do 100 puta veću snagu (nema energetskog ograničenja). Iz tog razloga je od primarnog značaja je procijeniti praktičnost radiofrekvencijske veze od satelita prema zemaljskoj stanici uzevši u obzir parametre koji se mogu s razumnom pouzdanošću procijeniti.  Primjer FERSAT downlink budžeta sa 2.4-m antenom na Zemlji prikazan je u tablici ©5.2.  Ključni rezultat je G/T [dB/T] karakteristika prijemnika (antena + elektronika) potrebnog na Zemlji da bi se predložena radiofrekvencijska veza ostvarila. Komercijalno dostupni prijemni sustavi sa antenom od 2.4 m postižu G/T ≈ 20 dB/K i stoga ovaj link budžet izgleda ostvariv.

Za prijem podataka iz svemira sa brzinom od 3 Mb/s potreban je snažan signal iz svemira. Na satelitu je ograničenja veličina antene, usmjerljivost i emitirana snaga. Emitirana snaga je ograničena međunarodnom regulacijom na energetski flux iz svemira koji se naziva power flux-density regulation (PFD).  BPSK modulacija je najotpornija na šum, ali ima i najniže frekvencijsko iskorištenje. Za maksimalnu razinu grešaka od 10‒6, odnos signala i šuma (SNR) mora biti barem 10 dB. 

 

Frekvencija f0 [GHz]

0° < θ ≤ 5°

PFDMAX [dBW/m²]

5° < θ ≤ 25°

25° < θ ≤ 90°

Referentna

Širina pojasa BFD

1.525‒2.5

‒154

‒154+0.5·(θ‒5)

‒144

 

2.5‒2.69

‒152

‒152+0.75·(θ‒5)

‒137

 

3.4‒7.75

‒152

‒152+0.5·(θ‒5)

‒142

4 kHz

8.025‒11.7

‒150

‒150+0.5·(θ‒5)

‒140

 

12.2‒12.75

‒148

‒148+0.5·(θ‒5)

‒138

 

17.7‒19.7

‒115

‒115+0.5·(θ‒5)

‒105

1 MHz

31‒40.5

‒115

‒115+0.5·(θ‒5)

‒105

Tablica ©5.3: Maksimalna dopuštena gustoća elektromagnetske energije emitirane sa svermiske stanice [K02].

 

slb.m = satellite link budget                  d. babić/FER 2018

================================================================

Orbital parameters

*                       Earth radius  R= 6378.3 km

*                Satellite altitude  h=   500 km

*          CPA-ES distance  CPA=     0 km

*         Minimal elevation  em=    5.00°

                         Orbit period  P=  94.621 min

                 Angular velocity ω=   1.107 mrad/s

           Orbital angles θ use θ= 0 at CPA

                       Horizon-CPA θH= ± 21.981°    cos(θH) =  0.927

                             ES-CPA θCPA=   0.000°    cos(thCPA) =  1.000

     Max satelite-CPA thGmax= ± 17.515° (e > em)

                          Visibility time =   9.21 min / 552.433 s (e > em)

          Satelite visible for CPA <  1950 km  (e > em)

TX

*         TX output power ptx=   30.00 dBm

*          Carrier frequency f0= 8200.00 MHz

         Valna duljina lambda=  0.0366 m

*                       Bit rate brate=    1.00 Mb/s

*                PSK order  mpsk=     4-PSK

*                           Rolloff roff=    0.30

*                                        FEC=    0.75

  Modulation bandwidth B=   0.867 MHz

                     PFD limit/Bref= -144.021 dBm/m²/Hz (e=90°)

                  Maximum EIRP=  40.33 dBm (PFD limit)

                                        EIRP=  35.76 dBm

         Maximum gain Gtx0=    5.76 dBi

    TX antenna efficiency = 0.50

*            FullWidth angular=    74.0° (n=  6.53)

                 Maximum mptx=  34.57 dBm (PFD & Gtx0 limit)

Link penalties @ zenith

          free space loss FSL= 152.7 d

atmospheric & rain atten= 5.1 dB

RX

*      antenna diameter diarx= 2.4 m

         max directivity Dmax= 46.28 dB

*                   efficiency etarx= 0.60

    antenna peak gain Grx0= 44.06 dBi

      3-dB full angular width=  1.07°

      effective aperture  Arx=  2.71 m²

*   pointing precision  pprx=  0.10 m²

*                 target ber TBER= 1.0e-05

                       Required SNR=   12.90 dB

          Required Eb/No ebno=   12.28 dB

*      antenna temperature Ta= 40.00 K

*   RX feeder temperature Trx= 290.00 K

*         LNA Noise Figure NF=  2.00 dB

*              feed losses FL=  1.00 dB

               noise PSD NPSD= -212.58 dBm/Hz

       RX ref temperature Trx= 290.00 K

      RX equiv tempeature Teq= 288.63 K

                    G/T (e=20) =  19.3 dB/K

Tablica ©5.2: Proračun radiofrekvencijske veze u smjeru od satelita prema zemlji.  

 

Slika @5.11 prikazuje CST simulacije dijagrama zračenja u dalekom polju za antene predviđene za komunikaciju na 8 GHz.  Konstrukcija i veličina antene vidljiva je u (a), a dijagram zračenja u (b). Antena montirana na stranu FERSAT-a koja gleda prema Zemlji (nadir smjer), a iza antene je metalna površina. Dijagram elektromagnetskog zračenja u dalekom polju prikazuje dobitak antene oko 9.3 dBi uz širinu glavne latice od 74°.  Dvosmjerna komunikacija u X-pojasu zahtjeva detaljnu analizu mogućih opcija i praktičnost komunikqacijskog sustava. Naime, ako se koristi ista ili slična frekvencija za uplink i downlink, potrebno je dizajnirati i ugraditi dvije antene na prednjoj strani satelita, dok korištenje dvije frekvencije koje su rastavljene par stonina MHz zahtjeva cirkulator ili diplekser filter u satelitu. Cirkulatori i diplekser dodaju težini satelita. projet najerava provesti detaljnu analizu opcija za dvosmjernu komunikaciju na satelitu u kojem će se istražiti frekvencije, polarizacija, ućinkovistost sustava .  Korištenje samo jedna frekvencije (samo za downlink) je potencijalno rješenje koje će se implementirati ako se ne nađe praktično rješenje za dvosmjernu komunikaciju.  Nedostatak uplink prijemnika na satelitu onemogućuje hardverski upgrade kontrolnog i payload softvera koji se može pokazati kritičnim za stabilnost satelita i autonomni rad.

 

  

(a)                                                                                                   (b)

Slika @5.11 – Simulacija dijagrama zračenja za earth-coverage antenu na FERSAT-u predviđenu za
komunikaciju na 8 GHz. 

Primopredajnik se sastoji od predajnika koji uključuje digitalnu obradu signala i radiofrekvencijskog pojačala, a prijemnik od niskošumnog pojačala u koji se antena direktno spaja, demodulatora i bloka za digitalnu obradu signala. Blok dijagram planiranog satelitskog sustava prikazan na slici @5.12 i sastojat će se od računala (field-programmable gate array, FPGA) koje formatira signal i modulaciju, u jednoj potencijalnoj verziji D/A i D/A konvertera koji su dovoljno brzi da direktno generiraju modulirani signal, linearnim pojačalom snage (PA) i nisko-šumnog poajačala (LNA) na ulazu. Ako su optimalne antene male, moguće će biti koristiti dvije antene na istoj strani satelita da bi se izbjegla potreba za cirkulatorom ili diplexerom između antene i primopredajnika. Izabrat će se optimalna modulacija za prijenos podataka (BPSK, QPSK ili 16QAM) i enkripcija za smanjenje grešaka u prijenosu što će najvjerojatnije biti Turbo kod ukoliko to bude ostvarivo unutar energetskog bužeta. Pojačala (PA i LNA) će biti radhard, prilagođena za svemirske uvjete. Sustav će biti prilagođen za rad u pojasu 7.1–8.4  GHz, a brzina podatkovnog prijenosa između 1 i 3 Mbps.

Slika @5.12 – Blok dijagram planiranog FERSAT primopredajnika

 

Slika @5.13: Preliminarni proračun radiofrekvencijske veze u smjeru od satelita prema zemaljskoj stanici (downlink) za satelitski kanal pri frekvenciji od 8.2 GHz.  

 

Slika @5.14: Preliminarni proračun radiofrekvencijske veze u smjeru od satelita prema zemaljskoj stanici (downlink) za satelitski kanal pri frekvenciji od 8.2 GHz.  

Ovaj primopredajnik će se biti razvijen suradnjom između partnera Geolux i FER-a te predstavlja komercijalni proizvod kojeg će partner Geolux potencijalno plasirati na tržište.

Slanje satelita u svemir također zahtjeva odobrenu licencu za korištenje frekvencije za komunikaciju koja se dobiva od International telecommunications Union u Europskoj Uniji. Potrebne su licence za korištenje VHF/UHF i pojasa.

[K01]     Ministarstvo mora, prometa i infrastrukture “Pravilnik o izmjenama i dopuni pravilnika o namjeni radiofrekvencijskoga spektra“, NN 32/2017, 725 (2017) – https://narodne-novine.nn.hr/clanci/sluzbeni/2017_04_32_725.html.

[K02]     Sebastiano Tirró, Satellite Communication Systems Design, Springer, 1993.

[K03]     http://esamultimedia.esa.int/docs/S2-Data_Sheet.pdf

[K04]     https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/l/landsat-7

 


§6. Lansiranje satelita

Komponenta C projekta FERSAT

Nanosateliti lansiraju kao sekundarni teret na raketama koje postavljaju velike satelite u orbitu. Velikim satelitima se smatraju oni koji su teži od 3 tone i cijena njihovog lansiranja se kreće u desetcima i stotinama milijuna Eura.  Let rakete koja nosi primarni teret je programiran da primarni teret dovede na određenu visinu i brzinu (orbitu) iznad zemlje i pusti teret (engl. deployment). Neko vrijeme nakon primarnog tereta, izbacuje se sekundarni teret koji se uobičajeno sastoji od niza malih satelita težine od 1/4 kg do 10 kg. Pri izbacivanju sekundarnog tereta svaki satelit krene svaki svojim smjerom i mogućnost međusobnog sudara je mala.  Relativna brzina svih satelita je mala u odnosu na brzinu centra mase (satelita i rakete u orbiti), tako da svaki satelit ima definiranu orbitu. Informacije o točnoj orbiti dobavljivi su od izvršitelja lansiranja nakon što je satelit stavljen u orbitu i satelit se može pratiti na javno dostupnom portalu, npr. položaj švicarskog CubeSat-a “SwissCube“ može se pratiti na  https://www.n2yo.com/?s=35932&live=1.

 

Slika @6.1 – Primjer plana lansiranja poduzeća ISIS koji pokazuje lansiranja do 2020. godine unaprijed.

Lansiranja primarnog tereta su u današnje vrijeme vrlo česta: datumi lansiranja, visina orbite i kut orbite u odnosu na ekvator se unaprijed zna tako da korisnici sekundarnog tereta mogu mjesecima unaprijed planirati orbitu koju žele. Slika @6.1 prikazuje primjer liste planiranih lansiranja CubeSatova različitih formata jednog pružatelja lansirnih usluga – u rubrici 1U/2U/3U stoji 'y' što znači YES, a orbita je SSO (sun-synchronous orbit). Korisnici sekundarnog tereta mogu birati samo između ponuđenih orbita, ali ne mogu mijenjati orbitu ili datum lansiranja koje su odabrali.  Nano-sateliti kao što je CubeSat koji je subjekt ovog projekta nemaju pogon i pasivno se kreću kroz svemir u ovisnosti o početnim uvjetima (visina, brzina i smjer). Primjeri poduzeća koja upravljaju lansiranjem nanosatelita su prikazani u tablici ©6.1.  Prijavitelj (FER) je u kontaktu sa pružateljima 1 i 2 da bi uspostavio cijene usluga za budžet. Cijene lansiranja 1U CubeSat-a se kreću oko €90.000, a za 3U CubeSat oko €200.000.

Iako su 1U CubeSat dominirali tržištem u zadnjih 20 godina, format je premali i ima premali energetski budžet za većinu znanstvenih i komercijalnih funkcija. 1U CubeSat-ovi pretežno imaju edukativne misije i ograničene sposobnosti: koriste radio-ameterske kanale za komunikaciju. Razvojem satelitske tehnologije i potrebom za svemirskim istraživanjem zadnjih godina, sada je najpopularniji format 3U CubeSat, što se vidi iz slike @1.4. Ovaj trend se danas manifestira u tome što neki pružatelji lansirnih usluga više ne nude lansiranje 1U ili 2U CubeSata, već je najmanji format 3U (Tablica ©6.1). Jedna raketa može u svemir ponijeti 10 ili više CubeSat satelita.

 

 

pružatelj lansirnih usluga

lokacija

web adresa

1

Innovative Solutions in Space

Nizozemska

www.isispace.nl

2

ECM Space

Njemačka

www.ecm-space.de

3

UT AeroSpace Studies

Kanada

www.utias-sfl.net

4

CubeCab (3U+)

SAD

www.cubecab.com

5

Nano Avionics

Litva

n-avionics.com

6

Space Flight (3U+)

SAD

spaceflight.com

7

NASA

SAD

www.nasa.gov

Tablica ©6.1 – Primjeri pružatelja lansirnih usluga.

Slika @6.2 prikazuje primjer primarnog i sekundarnog tereta montiranog na strukturu na koju se još doda i raketa sa gorivom. http://spaceflight.com/schedule-pricing/#schedule

§6.1     Adminstrativni postupak vezan na lansiranje

Poslovanje lansiranja malih satelita je organizirano kroz pružatelja lansirnih usluga (engl. launch services provider = LSP) koji zakupljuju prostor za sekundarni teret od poduzeća koje lansira rakete i satelite u svemir (engl. launch logistics provider = LLP). U nekim slučajevima, kao NASA, LLP i LSP su ista pravna osoba.  Danas postoji više LSP-a te stranka koja želi lansirati satelit ima mogućnost izbora po cijeni, kvaliteti i potpunosti usluge. Usluge se upravljanja lansiranjem sastoje i od kvalifikacije i verifikacije kvalitete satelita. Neke od pružatelja lansirnih usluga su i sami startup ili spin-off poduzeća. Poduzeća koja lansiraju satelite u svemir ima više i nalaze se po cijelom svijetu. Na primjer, pružatelj lansirnih usluga u Nizozemskoj (broj 1 u tablici ©6.1) zakupljuje prostor na raketama u cijelom svijetu te može lansirati satelite iz SAD, Rusije ili Azije. Ključni faktor u odabiru pružatelja lansirnih usluga je datum i tip orbite koji je u ponudi; naime, svaki pružatelj ima pristup nizu poduzeća za lansiranje satelita, a korisnik sekundarnog tereta ne može (za cijenu koju plaća) mijenjati ponuđenu orbitu i datum. Tip orbite definira koliko često i da li će satelit prelaziti preko Hrvatske i Zagreba gdje se nalazi Zemaljska stanica.

Odabir pružatelja: Postupak lansiranja počinje sa potpisivanjem dva ugovora o pružanju lansirnih usluga (engl. Letter of Agreement on Launch Services i Launch Services Agreement) pri kojem korisnik odabire jedan od ponuđenih datuma i orbita. Pri potpisivanju ovaih dvaju ugovora korisnik plaća oko 50% cijene usluge. Potpisivanje ugovora  se događa barem dvanaest mjeseci prije planiranog lansiranja. Odabrani datum definira poduzeće koje će lansirati satelit, a time i državu iz koje će se satelit lansirati. Svaka država ima svoju regulativni postupak te tek nakon potpisivanja ugovora, korisnik dobiva kompletne kvalifikacijske uvjete za lansiranje. U toku slijedećih dva do šest mjeseci korisnik mora obaviti sve kvalifikacijske testove, dok pružatelj lansirnih usluga obavi sve potrebne aktivnosti da bi korisnikov satelit imao garantirano mjesto na raketi. Šest mjeseci prije lansiranja, korisnik dobiva potvrdu da ima mjesto na raketi i tada plaća dodatnih 20% cijene. Dva mjeseca prije lansiranja, korisnikov satelit mora biti predan na lokaciji pružatelja lansirnih usluga, da bi mjesec dana prije lansiranja korisnikov satelit stigao na lansirnu lokaciju kada korisnik plaća daljnjih 20% od cijene.  Konačno, u trenutku lansiranja, korisnik plaća zadnjih 10% cijene. Ukoliko lansiranje ne uspije nema povrata sredstava, vjerojatnost je mala. Postoci djelomičnog plaćanja su primjer samo za jednog pružatelja usluga (broj 1 u tablici ©6.1), drugi pružatelji traže drugačije točke plaćanja.

        

(a)                                                       (b)

Slika @6.2 – (a) Primjer montiranja primarnog i sekondarnog tereta, (b) kazeta sa CubeSat satelitima
(engl. CubeSat deployer) (www.ecm-space.de)

Nakon lansiranja, unutar nekoliko sati korisnikov satelit je u orbiti, a jedan sat nakon izbacivanja sa vozila u svemir satelit može početi emitirati. Pružatelj lansirnih usluga definira i prati orbitu svakog lansiranog satelita i tada predaje korisniku informacije o točnoj orbiti u kojoj se satelit nalazi. Korisnik može pratiti satelit korištenjem javnih web-portala koji prate sve svemirske letjelice.