Integration of a GPS subsystem into the Aalto-1 nanosatellite

GPS:ää käytetään lisääntyvässä määrin matalan kiertoradan avaruusalusten navigoinnissa. Satelliitin varustaminen GPS-vastaanottimella mahdollistaa paikan, nopeuden ja ajan tarkan määrittämisen autonomisesti ilman tarvetta usealle maanpäälliselle seuranta-asemalle. Yleisten kaupallisten GPS-komponenttien käyttö mahdollistaa autonomisen paikannuksen jopa edullisille nanosatelliiteille. GPS-komponentit on kuitenkin valittava ja niiden toimivuus varmistettava huolellisesti. Diplomityön tavoite on tuottaa tarkka suunnitelma GPS-alijärjestelmästä, joka tullaan integroimaan Aalto-1-nanosatelliittiin. Vaikka satelliitin avaruuteen menevä malli ei ole diplomityön lopussa valmis, diplomityön sisältämää suunnitelmaa voidaan suoraan käyttää lopulliseen järjestelmäintegraatioon. Työssä myös arvioidaan tämänkaltaisten GPS-laitteiden soveltuvuutta avaruussovelluksiin. Diplomityössä esitellään aluksi taustatietona Aalto-1-satelliittiprojekti, GPS-paikannusjärjestelmän toiminta yleisesti sekä satelliittien seuranta GPS:llä. Perustietojen esittelyn jälkeen kuvataan Aalto-1-satelliittiin suunniteltu GPS-alijärjestelmä sekä sen mekaaniset, sähköiset ja ohjelmistorajapinnat. Suunnitellulle alijärjestelmälle hahmotellaan verifiointisuunnitelmaa, jolla pyritään varmistamaan alijärjestelmän toimivuus avaruudessa halutulla tavalla. Myös joitakin verifiointisuunnitelman alkuvaiheen testejä esitellään, tärkeimpinä GPS-signaalisimulaatiot, PCB-prototyyppitestit ja antennin suorituskykytestit. Lopuksi esitetään loppupäätelmät järjestelmän toimivuudesta sekä ehdotuksia järjestelmän lopulliseen integrointiin satelliittiin.GPS is increasingly used for spacecraft navigation in low Earth orbit. Equipping a satellite with a GPS receiver enables it to determine position, velocity and time autonomously, without the need for ground-based tracking stations. Using commercial off-the-shelf GPS components enables autonomous positioning even for low-cost nanosatellites. However, the components need to be selected and qualified carefully. This thesis presents the design of a GPS subsystem and a plan for its integration into the Aalto-1 nanosatellite. Although the flight model of the satellite won’t be ready by the completion of the thesis, the plan can be used in the integration of the final satellite system. The thesis also evaluates the feasibility of using this kind of commercial components in a satellite application. The thesis begins by introducing the Aalto-1 satellite project, basics of the Global Positioning System, and satellite tracking with GPS. After this necessary background information, the design for the GPS subsystem is presented, as are its mechanical, electrical and software interfaces. A verification plan is outlined that aims to ensure that the subsystem will operate correctly in space. Some initial steps of the verification plan are done as a part of the thesis and are also described, most importantly GPS signal simulations, PCB prototype tests and antenna performance tests. Finally, conclusions about the spaceworthiness of the GPS subsystem are given, as are suggestions for the final integration of the subsystem into the satellite

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