Satelliitti – mitä se on, tyypit, käyttötarkoitukset ja historia

Tutustu satelliittien maailmaan: mitä ne ovat, tyypit, käyttötarkoitukset ja kiehtova historia Sputnikista nykyaikaan.

Satelliitti on kohde, joka kiertää toista kohdetta. Avaruudessa satelliitit voivat olla luonnollisia tai ihmisen tekemiä. Kuu on luonnollinen satelliitti, joka kiertää Maata. Useimmat ihmisen tekemät satelliitit kiertävät myös Maata, mutta jotkut kiertävät muita planeettoja, Aurinkoa tai Kuuta. Satelliitteja käytetään moniin tarkoituksiin. On olemassa sääsatelliitteja, tietoliikennesatelliitteja, navigointisatelliitteja, tiedustelusatelliitteja, tähtitieteen satelliitteja ja monia muita satelliitteja. Arthur C. Clarke teki viestintäsatelliitin idean tunnetuksi.

Neuvostoliitto laukaisi maailman ensimmäisen keinotekoisen satelliitin, Sputnik 1:n, 4. lokakuuta 1957. Tämä yllätti koko maailman, ja Yhdysvallat laukaisi nopeasti oman satelliittinsa, mikä käynnisti avaruuskilpailun. Sputnik 2 laukaistiin 3. marraskuuta 1957, ja se vei ensimmäisen elävän matkustajan kiertoradalle, Laika-nimisen koiran. Yhdysvallat laukaisi ensimmäisen satelliittinsa Explorer 1:n 31. tammikuuta 1958. Yhdistynyt kuningaskunta laukaisi ensimmäisen satelliittinsa vuonna 1962.

Sittemmin tuhansia satelliitteja on laukaistu maapallon kiertoradalle. Jotkin satelliitit, erityisesti avaruusasemat, on laukaistu osina ja koottu kiertoradalla.

Miten satelliitti pysyy radalla?

Satelliitin liike perustuu kahden voiman tasapainoon: Maan vetovoimaan ja satelliitin liikkeestä aiheutuvaan keskeisvoimaan. Kun satelliitti liikkuu riittävän suurella tangentin suuntaisella nopeudella, se "putoaa" jatkuvasti kohti maata, mutta maan kaarevuus estää sitä osumasta pintaan – lopputuloksena on kiertorata. Radalla pysymiseen tarvitaan riittävä pysty- ja sivuttaisnopeus sekä ajoittain tehtäviä korjauksia eli station-keeping-manoeuvreja.

Orbitin tyypit

• LEO (Low Earth Orbit): noin 160–2 000 km korkeudella. Käytetään mm. kaukokartoitukseen, tietoliikenteeseen (joissain järjestelmissä), kansainväliselle avaruusasemalle ja useille CubeSat-satelliiteille.
• MEO (Medium Earth Orbit): noin 2 000–35 786 km. Navigointisatelliitit (esim. GPS, GLONASS, Galileo) sijaitsevat tavallisesti MEOssa.
• GEO (Geostationary Orbit): noin 35 786 km päiväntasaajan yläpuolella. Satelliitti näyttää pysyvän paikallaan maanpinnalta katsottuna, joten se sopii erinomaisesti sää- ja viestintäsatelliiteille.
• Polaariset ja aurinkosynkroniset radat: kulkevat kohti napoja ja mahdollistavat koko maapallon kattavan tiedonkeruun; aurinkosynkroninen kiertää siten, että valaistusolosuhteet säilyvät vakiona.
• HEO (Highly Elliptical Orbit): voimakkaasti soikeita ratoja käytetään pidempään näkösuhteeseen korkeilla leveysasteilla, esim. tiettyihin tiedustelu- tai tutkailusovelluksiin.

Satelliittityypit ja käyttötarkoitukset

• Tietoliikenne- ja viestintäsatelliitit: televisio-, puhe- ja datayhteyksien välittäminen, myös internet-yhteydet kaukana sijaitseville alueille.
• Navigointisatelliitit: antavat paikannus-, navigointi- ja aikapalveluita (esim. GPS, Galileo).
• Sääsatelliitit: seuraavat säätä, pilviä, merivirtoja ja ilmastomuutoksia; parantavat ennusteita ja varautumista myrskyihin.
• Kaukokartoitus- ja maaperähavainnointisatelliitit: maanpinnan ja merialueiden seuranta, maatalous, metsätalous, kaupunkisuunnittelu ja katastrofiseuranta.
• Tiedustelu- ja turvallisuussatelliitit: valvonta, signaalitiedustelu ja korkean resoluution kuvatiedustelu valtiollisiin tarkoituksiin.
• Tähtitiede- ja tutkimussatelliitit: avaruusteleskoopit ja instrumentit tutkivat aurinkokuntaa, galakseja ja kosmista taustasäteilyä (esim. Hubble, James Webb).
• Tekniset testisatelliitit ja CubeSatit: tutkitaan uutta teknologiaa, testi- ja opintoprojekteja; CubeSatit ovat pieniä, edullisia satelliitteja, joita tutkijat ja opiskelijat käyttävät paljon.
• Avaruusasemat ja logistiset alukset: ihmisasutus ja pitkäaikainen tutkimus kiertoradalla.

Satelliitin perusrakenne

Useimmissa satelliiteissa on kaksi pääosaa: alusta (bus), joka sisältää sähkönsyötön, telemetrian, ohjauksen ja rakenteen, ja kuorma (payload), joka tekee varsinaisen tehtävän (esim. kamera, tutka, viestintälähetin). Tärkeitä järjestelmiä ovat aurinkopaneelit ja akut (sähkön tuotanto ja varastointi), radiokommunikaatio, asennonhallinta (gyrot, kolmiot), terminen säätö ja joskus propulsio radan ylläpitoa tai korjauksia varten.

Käyttöönotto ja elinkaari

• Satelliitit laukaistaan kantoraketilla ja sijoitetaan suunniteltuun kiertorataan.
• Alkuvaiheeseen kuuluu liikenneohjauksen käynnistys, instrumenttien kalibrointi ja koekäytöt (commissioning).
• Operatiivisen elinkaaren aikana tehdään ohjauksia, huoltoa kaukosäätimen kautta ja ohjelmistopäivityksiä.
• Elinkaaren lopussa satelliitti joko poistetaan toiminnasta, siirretään hautausmaahan (graveyard-orbit) geosta tai palautetaan ilmakehään hallitusti polttaen suurelta osin tuhoutuen (deorbitointi).

Avaruusromu ja turvallisuus

Avaruusromu on merkittävä ongelma: käytöstä poistetut satelliitit, rikkoutuneet osat ja ylijäämäpolttoaine voivat jäädä kiertämään ja muodostaa törmäysvaaran muille aluksille. Kesslerin syndrooma kuvaa tilannetta, jossa törmäykset synnyttävät lisää romua, ja se voi tehdä tietyt radat käyttökelvottomiksi. Toimenpiteitä ongelman hillitsemiseksi ovat romun välttäminen, turvallinen lopetus, törmäyksen ehkäisy ja tulevaisuudessa mahdollisesti romunpoisto- ja huoltorobotit.

Kansainväliset säännöt ja koordinaatio

Satelliittitoiminta edellyttää kansainvälistä yhteistyötä ja sääntelyä: käytettävät taajuudet koordinoidaan esimerkiksi ITU:n kautta, maiden tulee rekisteröidä avaruuskohteensa, ja useat YK:n sopimukset määrittelevät vastuukysymyksiä avaruudessa. Avaruustila on globaali resurssi, ja yhteiset pelisäännöt auttavat välttämään häiriöitä ja onnettomuuksia.

Tulevaisuuden suuntaukset

• Megakonstellaatioiden (satoja tai tuhansia pieniä tietoliikennesatelliitteja) kasvu nopeuttaa globaalia internet-yhteyksien laajentumista.
• Pienemmät ja edullisemmat CubeSat- ja nanosat-teknologiat antavat mahdollisuuksia tutkijoille ja yrityksille toteuttaa nopeita kokeiluja.
• Kantoraketin uudelleenkäytettävyys (reusable rockets) laskee laukaisukustannuksia ja lisää satelliittien määrää ja saatavuutta.
• On-orbit-palvelut, kuten huolto, tankkaus ja romunpoisto sekä avaruusvalmistus ja asutus Kuussa ja muilla taivaankappaleilla, ovat seuraavia kehityksen askelia.

Satelliitit ovat keskeinen osa modernia infrastruktuuria: ne tukevat viestintää, navigaatiota, sääennusteita, ympäristön seurantaa ja tieteellistä tutkimusta. Teknologian kehittyessä myös satelliittien rooli ja mahdollisuudet laajenevat edelleen.

Satelliitit kiertoradalla nyt

Keinotekoiset satelliitit ovat peräisin yli 50 maasta, ja niiden laukaisuun on käytetty kymmenen maan satelliittikapasiteettia. Muutama sata satelliittia on tällä hetkellä toiminnassa, mutta tuhannet käyttämättömät satelliitit ja satelliittien sirpaleet kiertävät maapalloa avaruusromuna. Suurin satelliitti on Kansainvälinen avaruusasema, jonka ovat koonneet useat eri maat (muun muassa NASAn, ESAn, JAXAn ja RKA:n organisaatiot). Sillä asuu yleensä kuuden astronautin tai kosmonautin miehistö. Se on pysyvästi miehitetty, mutta miehistö vaihtuu. Hubble-avaruusteleskooppia on korjattu ja päivitetty avaruudessa olevien astronauttien toimesta useita kertoja.

On myös ihmisen tekemiä satelliitteja, jotka kiertävät jotain muuta kuin Maata. Mars Reconnaissance Orbiter on yksi näistä Marsia kiertävistä satelliiteista. Cassini-Huygens kiertää Saturnusta. ESA:n ylläpitämä Venus Express kiertää Venusta. Kaksi GRAIL-satelliittia kiersi kuuta joulukuuhun 2012 asti. Useita satelliitteja on kiertänyt Aurinkoa jo vuosia, ja yksi on tarkoitus lisätä vuonna 2019.

Ihmisen tekemillä satelliiteilla on useita pääkäyttökohteita:

• Tieteellinen tutkimus
• Maan havainnointi - mukaan lukien sääennusteet ja myrskyjen ja saasteiden seuranta.
• Viestintä - mukaan lukien satelliittitelevisio ja puhelut
• Navigointi - mukaan lukien maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä (GPS).
• Sotilaalliset - mukaan lukien tiedustelukuvaus ja viestintä (ydinaseet eivät saa olla avaruudessa).

Animaatio, jossa esitetään GPS-satelliittien kiertoradat keskipitkällä Maan kiertoradalla.


ESTCube-1 tehtiin tieteellistä tutkimusta varten.

Orbits

Suurin osa ihmisen valmistamista satelliiteista on matalalla Maan kiertoradalla (LEO) tai geostationaarisella kiertoradalla. Jotta satelliitti pysyisi kiertoradalla, sen sivuttaisnopeuden on tasapainotettava painovoima. Matalalla kiertoradalla olevat satelliitit ovat usein alle tuhannen kilometrin korkeudella maasta. Lähellä Maata, LEO:ssa, satelliittien on liikuttava nopeammin pysyäkseen kiertoradalla. Matalat kiertoradat toimivat hyvin satelliiteille, jotka ottavat kuvia Maasta. Monet tekevät töitä, jotka edellyttävät suurta kiertoradan kallistusta (ne heiluvat päiväntasaajan ylä- ja alapuolella), jotta ne voivat viestiä tai tarkastella muita alueita. Satelliitti on helpompi asettaa matalalle kiertoradalle, mutta satelliitti näyttää liikkuvan, kun sitä katsotaan Maasta käsin. Tämä tarkoittaa, että satelliittiantennin (antennityyppi) on oltava koko ajan liikkeessä, jotta sen avulla voidaan lähettää tai vastaanottaa viestejä kyseisen satelliitin kanssa.

Keskikokoinen kiertorata toimii hyvin GPS-satelliiteille - maan päällä olevat vastaanottimet käyttävät satelliitin muuttuvaa sijaintia ja tarkkaa aikaa (sekä antennityyppiä, jota ei tarvitse suunnata) löytääkseen, missä päin maapalloa vastaanotin on. Jatkuvasti muuttuvat sijainnit eivät kuitenkaan sovellu satelliittitelevisioon ja muihin satelliitteihin, jotka lähettävät ja vastaanottavat paljon tietoa. Niiden on oltava geostationäärisellä kiertoradalla.

Geostationaarisella kiertoradalla oleva satelliitti liikkuu maapallon ympäri yhtä nopeasti kuin maapallo pyörii, joten maasta katsottuna se näyttää olevan paikallaan (ei liiku). Jotta satelliitti voisi liikkua tällä tavoin, sen on oltava suoraan päiväntasaajan yläpuolella ja 35 786 kilometrin (22 236 mailin) korkeudella maasta.

Satelliitti geostationaarisella kiertoradalla.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on satelliitti?

K: Mihin satelliitteja käytetään?

K: Milloin ensimmäinen keinotekoinen satelliitti laukaistiin?

K: Kuka oli ensimmäinen elävä matkustaja, joka lähetettiin kiertoradalle?

K: Milloin Yhdysvallat laukaisi ensimmäisen satelliittinsa?

K: Milloin Yhdistynyt kuningaskunta laukaisi ensimmäisen satelliittinsa?

K: Kuinka monta satelliittia on laukaistu sen jälkeen?

Hae kirjaimella