Euroopan avaruusjärjestön muuntuminen ”New Space” -hankkeita varten

Euroopan avaruusjärjestö ESA on maailmalla vakiintunut toimija, joka tunnetaan lähinnä ”perinteisistä avaruushankkeista”. ESA lähetti viime vuonna avaruuteen ennätykselliset 13 satelliittia (mikä on enemmän kuin NASA), laittaaksemme asian oikeaan perpektiiviin.

Tausta

Avaruusympäristö on viime vuosina muuttunut kaikkialla maailmassa ja ESA valmistautuu myös edessä oleviin tuleviin haasteisiin. Osana ESAn muutosta ketterämmäksi, nopeammaksi, kevyemmäksi ja tehokkaammaksi ESA on myös avannut mahdollisuuden erilaiselle filosofialle satelliittien ja avaruushankkeiden kehittämisessä.

Minulla oli etuoikeus johtaa ensimmäistä suurta ESAn ”New Space” -hanketta, Arctic Weather Satellite (AWS). Hankkeen tavoitteena oli kehittää Protoflight Model (PFM) -satelliitti, jonka oli tarkoitus toimia edeltäjänä tällaisten sääsatelliittien operationaaliselle konstellaatiolle. Hanke sisälsi satelliitin kehittämisen lisäksi myös maasegmentin kehittämisen, laukaisun hankinnan ja satelliitin operoinnin. Konstellaation asiakkaana on EUMETSAT, joka oli ilmaissut kiinnostuksensa projektin alussa odotettaessa ESAn kehitystyön tulosta. Yhteenvetona voi todeta, että panokset olivat korkeat kun aloitin projektin.

Arctic Weather Satellite - CREDIT: ESA/Mlabspace

Minut valittiin projektipäälliköksi vuoden 2020 alussa tavoitteena kehittää koko operaatio kolmessa vuodessa, erittäin tiukassa budjetissa ja suurten sääsatelliittien suorituskyvyn mukaisesti. Perinteisten sääsatelliittien kehittyminen vie yleensä vähintään 15 vuotta. Aivan kuin tämä ei olisi ollut tarpeeksi haastavaa, COVID-19 iski heti, kun olin aloittanut.

”New Space” -lähestymistapa

Erityisesti ESAn kokoisen organisaation muuttaminen ei ole yksinkertaista, mutta minulle oli annettu valtuudet löytää tapa ”New Space” -projektinhallintaan ja määritellä, kuinka ”New Space” -lähestymistapa voitaisiin toteuttaa ESAn sisällä. Jotta hanke onnistuisi edellä mainituissa rajoissa, ESAn työskentelytapaa oli muutettava.

Ensimmäinen päätökseni oli keskittyä vain olennaisiin vaatimuksiin ja poistaa kaikki muu. ESAn ”perinteisissä avaruushankkeissa” sovelletaan erityisiä standardeja, joissa määritellään paitsi hankkeen tarpeet myös se, miten hanketta suunnitellaan, rakennetaan, tarkistetaan, hallinnoidaan jne. Näitä standardeja kutsutaan ECSS-standardeiksi (European Cooperation for Space Standardisation). AWS:n osalta päätin olla käyttämättä näitä standardeja lainkaan ja jättää toteutustavan avoimeksi. Lisäksi yksinkertaistin ja virtaviivaistin hankekatsauksia, joita käytetään portteina sen tarkistamiseksi, että edistys on riittävää seuraavaan vaiheeseen siirtymiseksi. Myös vaadittu dokumentaatio rajattiin murto-osaan ”perinteisistä avaruushankkeista” vaadittavista dokumenteista. Myös sopimuksesta tehtiin mahdollisimman yksinkertainen ESAn sääntöjen ja määräysten puitteissa. Neuvoteltiin yksi sopimus, joka kattoi satelliitin, maasegmentin ja toiminnan kehittämisen.

Kaikki edellä kuvatut muutokset olivat välttämättömiä ja kriittisiä AWS-hankkeen onnistumisen kannalta, mutta ehkä tärkein muutos oli ”perinteisten avaruushankkeiden” (kutsutaan usein: ”V-sykli”)  kehittämiseen perustuvan lähestymistavan sijaan käyttää ketterän kehityksen lähestymistapaa. Ohjelmistokehityksessä on perinteisesti käytetty ketterää kehitystä, mutta nyt lähestymistapa on ulottunut myös muuhun kehitykseen. Avaruushankkeissa ketterä käyttö on erityisen vaikeaa kehityssilmukoiden pitkän keston (kutsutaan usein ”sprints”) sekä niihin liittyvien laitteiden ja testauksen kustannusten vuoksi. SpaceX:n esimerkki, jossa on käytetty tätä menetelmää laukaisuvälinekehityksessä, on kuitenkin osoittanut menetelmän tehon.

Arctic Weather Satellite -hanke

Ketterästä työskentelytavasta oli tietenkin sovittava myös teollisuuden kanssa, jotta meillä kaikilla oli yhteinen ymmärrys ennen hankkeen alkua. Vietin paljon aikaa ja vaivaa hankkeen valmistelussa teollisuuden ja ESA-tiimien kanssa. Tämä alustava valmistelu oli myös olennaisen tärkeää ESAn ja teollisuuden välisen luottamuksen lisäämiseksi, sillä teollisuus (syystäkin) ei ollut varma siitä, että ESA voisi todella muuttaa työskentelytapojaan, ja pelkäsi ESAn lopulta tiukentavan ECSS-standardeja. Tärkeää oli myös se, ettei kaikille yrityksille asetettu erityistä toimintatapaa, joten toteutustapa jätettiin avoimeksi kullekin toimittajalle ja lopulta muodostui ketterän ja V-kehityksen hybridikombinaatioksi.

Kun kehittämistavasta oli sovittu, käytettiin ketterää kehittämistä koko hankkeen ajan aina kun se oli tarkoituksenmukaista ja tuloksellisesti erinomaista. AWS-hankkeessa painotettiin aina laitteiden rakentamista ja testausta analyysien sijaan. Testasimme laitteistoja kaikilla tasoilla tavoitteena oppia testistä. Emme odottaneet asioiden olevan täydellisiä ensimmäisen testin aikana. Sen sijaan halusimme testata nopeasti, löytääksemme nopeasti niistä heikkouksia, jotka meidän oli korjattava. Teimme esimerkiksi rakenteellisia testejä seitsemän kertaa ennen kuin onnistuimme siinä! Tämä oli silti nopeampaa kuin monimutkaisten analyysien tekeminen, mikä olisi lopulta validoitu testaamalla.

Arctic Weather Satellite (lähes valmiina) tärinätestissä - CREDIT: ESA/P. Sebirot

Ketteryyttä käytettiin myös integroinnissa, jossa täydelliset järjestelmä- ja satelliittitestaukset aloitettiin heti, kun laitteistoa oli riittävästi eikä odotettu viimeistä laitetta. Testejä muutettiin tarvittaessa laitteiston tilan perusteella. Ohjelmistojen kehittämisessä noudatettiin ketterää lähestymistapaa myös systeemisimulaatioilla, joita tehtiin lähes päivittäin, ja laitteistoympäristötestauksella, joka alkoi heti, kun laitteisto oli käytettävissä. Ketterä kehitys tarkoittaa myös sitä, että viime hetkellä tehtiin tarvittaessa myös muutoksia; esimerkiksi yksi tutkinnon osa korvattiin satelliittitasoisen lopullisen testauksen keskellä.

Kuten alussa totesin, hanke kehitti satelliitin kehittämisen lisäksi myös maasegmentin. ESA operoi yleensä kaikkia kehittämiään satelliitteja, mutta AWS:n tapauksessa satelliitin operoinnin teki teollisuus ja komentokeskus jouduttiin kehittämään. Myös tiedetietojen prosessointi kehitettiin osana maasegmenttiä. Maasegmentin kehittämisessä käytettiin samaa ketterää lähestymistapaa ja lisättiin, että testasimme maasegmenttiä yhdessä satelliitin kanssa mahdollisimman pian. Teimme ensimmäisen järjestelmän validointitestin (System Validation Test, SVT), jossa komensimme satelliittia komentokeskuksesta hieman vajaan kahden vuoden kuluttua toiminnan käynnistymisestä! Tämä oli ensimmäinen kerta ESA-projektissa, jossa SVT tehtiin niin varhain. Kaikki ei ollut täydellistä, mutta opimme paljon kokeesta. Lopulta toistimme SVT:n vielä neljä kertaa ennen satelliitin laukaisua.

Vaikka vedin projektia, monimutkainen tehtävä vaatii aina tiimityötä. AWS-tiimiin kuuluivat ESA ja yli 30 yritystä 12 maasta. Projektissa meitä auttoi selvästi se, että ESAn ja teollisuuden tiimit olivat hyvin kokeneita ja kaikki olivat kehittäneet satelliitteja aikaisemmin. Näin tiimi pystyi tietoisesti tekemään päätöksiä ja tasapainottamaan riskiä, aikataulua ja kustannuksia oikein.

Hankkeen tulos

AWS-kehitys valmistui kolmen vuoden kuluessa suunnitellusti, budjetin ja suorituskyvyn puitteissa! Satelliitti laukaistiin Vandenbergin tukikohdasta Kaliforniassa 16.8.2024 käyttäen Falcon 9 -rakettia. Laukaisun jälkeen satelliitti siirtyi varhaiseen toimintaan ja kiertoradalla tapahtuvaan validointivaiheeseen, jota seuraa kiertoradan muutosvaihe. Tiedetietoa jaetaan nyt tehtävän varhaisille arvioijille (Ilmatieteen laitos on osa varhaisarvioijia). Kevään aikana tietojen odotetaan olevan täysin toimintavalmiita ja ne toimitetaan myös Euroopan ulkopuolelle.

Arctic Weather Satellite/Laukaisu - CREDIT: SpaceX

AWS:n saavutus osoittaa, että ESA voi muuttaa työskentelytapojaan ja toteuttaa tällaisia ”New Space” -hankkeita ”perinteisten avaruushankkeiden” lisäksi. AWS osoittaa myös, että ESA voi vastata ”New Space” -kehitystyöstä mutta tehdä yhteistyötä teollisuuden kanssa siten, että teollisuus voi joustaa kehittämisen lähestymistavassa, mutta samalla auttaa turvaamaan tulevat asiakkaat tällaisiin tehtäviin. Tämä lähestymistapa edellyttää avoimuutta ja luottamusta molemmilta osapuolilta.

Henkilökohtaisesti hankkeen vetäminen oli erittäin antoisaa ja minulla oli ilo johtaa erittäin motivoituneiden ja osaavien henkilöiden ryhmää sekä ESAn että teollisuuden puolella. Oli myös hyvin rohkaisevaa nähdä, miten hankkeen lyhyt kehittämisaika oli selkeä motivaatio ihmisille, sillä tulos näkyi jo kolmen vuoden kuluessa (perinteisessä hankkeessa n. 15 vuotta). ESAn puolella AWS:ää pidetään nyt esimerkillisenä hankkeena, joka osoittaa tavan kehittää ”New Space Projects” -hankkeita. Sain henkilökohtaista tunnustusta myös ESAn pääjohtajalta, joka tunnusti hankkeen merkityksen ja vaikuttavuuden sekä työni osana ESAn organisaatiomuutosta.

Tulevaisuus

Kuten alussa totesin, AWS:n tavoitteena oli kehittää prototyyppi tällaisten satelliittien tulevalle konstellaatiolle. Euroopan ilmatieteellisten satelliittien hyödyntämisjärjestö EUMETSAT on jo ilmaissut kiinnostuksensa konstellaatioon, ja yhdessä ESA-tiimin kanssa myös valmistaudumme siihen. Konstellaatio on nimeltään EPS-Sterna. Sterna on arktiselta alueelta Etelämantereelle siirtyvän lapintiiran latinalainen nimi; vähän samalla lailla satelliitit lentävät pohjoisnavalta etelänavalle. Konstellaation lopullisen hyväksynnän ja etenemisen odotetaan tapahtuvan kesään 2025 mennessä.

Konstellaation odotetaan olevan toiminnassa kuudella ensimmäisellä satelliitilla kiertoradalla vuoden 2029 alkuun mennessä. Konstellaatio parantaisi merkittävästi sääennustetta maailmanlaajuisesti. Pohjoisilla alueilla, kuten Suomessa, vaikutus on vielä suurempi, sillä konstellaatio mahdollistaa nopeat vierailuajat, mikä antaa mahdollisuuden hyvin lyhyen kantaman sääennusteisiin. Alemmilla leveysasteilla tällainen hyvin lyhyen kantaman sääennuste tehdään geostationääristen satelliittien avulla, jotka ovat 36 000 km päiväntasaajan yläpuolella tuottaen kuvia 15 minuutin välein. Niillä ei kuitenkaan ole näkyvyyttä korkeammilla leveysasteilla lähempänä napaa, joten niitä ei voida käyttää arktisen alueen sääennusteissa.

Osana konstellaatioon valmistautumista EUMETSAT teki sosioekonomisen tutkimuksen, jossa arvioitiin siitä jäsenvaltioille koituvia hyötyjä. Tuloksena on, että pessimistisistä oletuksista huolimatta tällaisen konstellaation odotetaan tuovan jäsenvaltioille vähintään 33 miljardin euron hyödyt. Tämä tarkoittaa 51-1 suhdetta sijoituksen tuotossa! Tämä uskomaton luku on suurin koskaan saavutettu tuotto investoinneille sääennustetehtävässä ja osoittaa ”New Spacen” voiman!

AWS:n tulevaisuus ja perintö vaikuttavat siis hyvin, hyvin valoisilta, mutta se on sitten ehkä ihan toinen tarina…