Mahdollistavia teknologioita ja käytäntöjä edullisille nanosatelliittimissioille

Small satellites and nanosatellites are currently a topic of interest in academia and industry. Their increasing capabilities enable them to execute tasks previously handled by conventional satellites, and their low cost allows deploying constellations of hundreds or even thousands of small satellites, allowing them to accomplish objectives not previously feasible. Such constellations could provide global satellite internet, perform remote sensing at a high temporal resolution, and monitor shipping and air traffic globally in real-time. Low-cost nanosatellites are also useful educational tools for training spacecraft engineers, and for performing in-orbit technology demonstrations. This dissertation aims to identify and evaluate useful technologies and practices for developing low-cost nanosatellite missions. Some of the approaches have been demonstrated in flight during the Aalto-1 nanosatellite mission, and others have been demonstrated with simulations. Existing literature is also reviewed to evaluate the considered technologies and approaches. Key defining features of small satellites and nanosatellites have been identified from literature, and new approaches for those features are proposed. In this work, a method for deploying nanosatellites to several orbital planes using atmospheric drag is proposed. Component selection for educational nanosatellites is considered, and the method used in Aalto-1 is presented. The autonomous navigation solution of Aalto-1 is described. Benefits and drawbacks of Linux use on-board spacecraft are considered, and results from Aalto-1 are discussed. Ways of combining project management and education in a student satellite project are also studied, and results from Aalto-1 are presented.Pien- ja nanosatelliitit ovat tällä hetkellä kiinnostuksen kohde akateemisessa maailmassa ja teollisuudessa. Niiden kasvavat kyvyt sallivat niiden suorittaa suurempien satelliittien aiemmin hoitamia tehtäviä, ja niiden matalat kustannukset mahdollistavat satojen tai jopa tuhansien piensatelliittien muodostelmien saattamisen kiertoradalle, mikä voisi mahdollistaa aiemmin vaikeasti toteutettavia tehtäviä. Tällaiset muodostelmat voisivat tarjota maailmanlaajuisen satelliitti-internetin, havainnoida Maata korkealla aikaerotuskyvyllä ja valvoa laiva- ja ilmaliikennettä maailmanlaajuisesti reaaliajassa. Edulliset nanosatelliitit ovat myös hyödyllisiä työkaluja avaruusinsinöörien kouluttamiseen sekä laitekokeiden suorittamiseen kiertoradalla. Tämä väitöskirja pyrkii tunnistamaan ja arvioimaan hyödyllisiä teknologioita ja käytäntöjä edullisten nanosatelliittimissioiden kehittämiseen. Osa menetelmistä on osoitettu avaruudessa toimiviksi osana Aalto-1-nanosatelliittimissiota, ja muiden toimivuus on osoitettu simulaatioilla. Menetelmiä on myös verrattu olemassa olevaan kirjallisuuteen. Pien- ja nanosatelliittien tärkeimpiä ominaisuuksia on tunnistettu kirjallisuuden pohjalta, ja työssä ehdotetaan uusia lähestymistapoja näihin ominaisuuksiin. Tässä työssä esitetään menetelmä nanosatelliittimuodostelman levittämiseen usealle kiertoratatasolle ilmanvastusta hyödyntämällä. Komponenttien valintaa opiskelijasatelliitteihin käsitellään, ja Aalto-1:ssä käytetty menetelmä esitellään. Aalto-1:ssä käytetty autonominen paikannusratkaisu kuvaillaan. Linux-käyttöjärjestelmän hyötyjä ja haittoja avaruuskäytössä arvioidaan, ja Aalto-1:ssä saavutetut tulokset esitellään. Työssä on myös tutkittu projektinhallinnan ja opetuksen yhdistämistä piensatelliittiprojektissa, ja Aalto-1:n tuloksia käsitellään