Asteroid Tomography by Utilizing Nanosatellites
Takala, Mika (2020)
Takala, Mika
Tampere University
2020
Tieto- ja sähkötekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme of Computing and Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2020-08-28
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1651-8
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1651-8
Tiivistelmä
Viimeisen kymmenen vuoden aikana pienten ns. nanosatelliittien hyödyntäminen matalalla Maan kiertoradalla on kasvattanut suosiotaan CubeSat-standardin ansiosta. Nämä nanosatelliitit ovat olleet tärkeä osa ns. uutta avaruusteollisuutta, jossa toinen toistaan suuremmat tavoitteet on mahdollista saavuttaa halvempaa tekniikkaa hyödyntäen. Nanosatelliitteja on käytetty toistaiseksi pääasiassa tutkimus- ja teknologiankehitystarkoituksiin, ja varsinaiset tieteelliset avaruusmissiot on tehty suurempia avaruuslaitteita käyttäen. Yksi tällaisista missioista oli Euroopan avaruusjärjestö ESA:n Rosetta-missio, joka kohtasi komeetta 67P/Churyumov-Gerasimenkon elokuuussa 2014. Lennon yhtenä peruselementtinä oli kokeilla radiotomografiakoetta, jossa komeetan sisustan rakenne olisi kartoitettu tutkasignaaleilla. Tämä väitöskirja tutkii nanosatelliittien käyttöä pienten Maan lähiasteroidien sisustan kartoitukseen. Tätä ei ole yritetty aikaisemmin. Väitöskirjatutkimuksen aikana ESA valitsi nanosatelliitteja Didymos-asteroidille lentävälle Hera-missiolleen. Yksi valituista nanosatelliiteista sisältää radiotomografiainstrumentin, joka pohjautuu aikaisemmassa Rosetta-missiossa ja sen Philae-laskeutujassa käytettyyn tekniikkaan.
Tämä väitöstutkimus laajentaa Tampereen yliopiston inversio-ongelmien tutkimusryhmän aikaisempaa työtä. Tutkimuksessa on simuloitu radioaaltojen etenemistä asteroidin sisällä elementtimenetelmällä, sekä koko vastaanotetun aaltodatan käyttämistä huippuluokan matemaattisilla inversiomenetelmillä siten, että asteroidin sisä-rakenne saadaan kuvannettua. Painopiste työssä on mittausmenetelmän ja kohinan vaikutuksessa kuvannustulokseen sekä mallinnuksen parantamiseen siten, että elementtimenetelmää voidaan käyttää, vaikka mittausta suorittavat avaruusalukset olisivat simulaatiossa käytetyn elementtiverkon ulkopuolella. Tärkeä osa työtä on myös viimeisimpien grafiikkaprosessoreiden (GPU) hyödyntäminen, koska niiden avulla simulaatioiden suoritusaikaa pystytään nopeuttamaan sekä lokaaleilla työasemilla että laskentaklustereissa.
Nanosatelliitin käyttämisestä tässä tarkoituksessa tehtiin Deep Interior Scanning CubeSat (DISCUS) -niminen soveltuvuustutkimus yhdessä projektikumppaneiden kanssa. DISCUS-konseptin tavoitteena oli lennättää nanosatelliitti Maan lähiasteroidille ja tehdä tarvittavat mittaukset, tallentaa data ja lähettää data Maahan. Tutkimus sisältää analyysin tällä hetkellä saatavilla olevista nanosatelliitien komponenteista, niiden realistisista suoritusarvoista, lennon parametrien analyysin sekä mahdolliset kohdeasteroidit. DISCUS-konseptia laajennettiin myöhemmin avaruusmissioksi nimeltä Asteroid In-situ Interior Investigation - 3way (Ai3), joka oli ehdolla ESA:n F-tyypin missiohaussa kesällä 2018. Vaikka Ai3:a ei valittu, se oli yksi kuudesta ehdotuksesta haun toisella kierroksella. Yleinen kiinnostus Maan lähiasteroidien tutkimukseen osoittaa, että ne ovat tärkeitä tieteen, maapallon puolustuksen sekä myös kaupallisten toimijoiden näkökulmista, mikä motivoi asteroidien kuvantamisen tekniikan jatkotutkimuksia.
Tämä väitöstutkimus laajentaa Tampereen yliopiston inversio-ongelmien tutkimusryhmän aikaisempaa työtä. Tutkimuksessa on simuloitu radioaaltojen etenemistä asteroidin sisällä elementtimenetelmällä, sekä koko vastaanotetun aaltodatan käyttämistä huippuluokan matemaattisilla inversiomenetelmillä siten, että asteroidin sisä-rakenne saadaan kuvannettua. Painopiste työssä on mittausmenetelmän ja kohinan vaikutuksessa kuvannustulokseen sekä mallinnuksen parantamiseen siten, että elementtimenetelmää voidaan käyttää, vaikka mittausta suorittavat avaruusalukset olisivat simulaatiossa käytetyn elementtiverkon ulkopuolella. Tärkeä osa työtä on myös viimeisimpien grafiikkaprosessoreiden (GPU) hyödyntäminen, koska niiden avulla simulaatioiden suoritusaikaa pystytään nopeuttamaan sekä lokaaleilla työasemilla että laskentaklustereissa.
Nanosatelliitin käyttämisestä tässä tarkoituksessa tehtiin Deep Interior Scanning CubeSat (DISCUS) -niminen soveltuvuustutkimus yhdessä projektikumppaneiden kanssa. DISCUS-konseptin tavoitteena oli lennättää nanosatelliitti Maan lähiasteroidille ja tehdä tarvittavat mittaukset, tallentaa data ja lähettää data Maahan. Tutkimus sisältää analyysin tällä hetkellä saatavilla olevista nanosatelliitien komponenteista, niiden realistisista suoritusarvoista, lennon parametrien analyysin sekä mahdolliset kohdeasteroidit. DISCUS-konseptia laajennettiin myöhemmin avaruusmissioksi nimeltä Asteroid In-situ Interior Investigation - 3way (Ai3), joka oli ehdolla ESA:n F-tyypin missiohaussa kesällä 2018. Vaikka Ai3:a ei valittu, se oli yksi kuudesta ehdotuksesta haun toisella kierroksella. Yleinen kiinnostus Maan lähiasteroidien tutkimukseen osoittaa, että ne ovat tärkeitä tieteen, maapallon puolustuksen sekä myös kaupallisten toimijoiden näkökulmista, mikä motivoi asteroidien kuvantamisen tekniikan jatkotutkimuksia.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4885]