Auf welcher Grundlage werden die Informationen über Entfernung und Geschwindigkeit der Voyager-Sonden ermittelt?

Voyager 1 war das allererste Objekt, das am 25. August 2012 den interstellaren Raum erreichte, als es den Bereich des Plasmaeinflusses der Sonne (die Heliosphäre) passierte[...] ( Quelle )

Obwohl einige ihrer Instrumente ausgeschaltet wurden, um Strom zu sparen, empfangen wir derzeit noch Daten von den beiden Voyager-Sonden und werden dies noch einige Zeit tun:

Auch wenn nach 2025 voraussichtlich keine wissenschaftlichen Daten erhoben werden, könnten technische Daten noch mehrere Jahre lang zurückgegeben werden. Die beiden Voyager-Raumschiffe könnten bis etwa 2036 in Reichweite des Deep Space Network bleiben, je nachdem, wie viel Energie die Raumschiffe noch haben, um ein Signal zurück zur Erde zu senden. ( Quelle )

Die JPL-Website bietet Informationen über den aktuellen Abstand und die Geschwindigkeit beider Sonden:

Entfernung von Sun§: Voyager 1: 153.58332228 AU; Voyager 2: 127.70461507 AU

Geschwindigkeit in Bezug auf die Sonne ( geschätzt ): Voyager 1: 38.026,77 mph; Voyager 2: 34.390,98 Meilen pro Stunde

§Dies ist ein Echtzeit-Indikator für die geradlinige Entfernung der Voyager von der Sonne in astronomischen Einheiten (AE). ( Quelle - meine Kursivschrift )

Meine Frage ist:

Auf welcher Grundlage werden die Informationen über Entfernung und Geschwindigkeit der Voyager-Sonden ermittelt? Erfolgt dies durch die Analyse der Daten, die wir von den Sonden erhalten? Oder werden diese Werte auf der Grundlage unseres derzeitigen Verständnisses der Art und Weise, wie sich Körper bewegen, berechnet? Beachten Sie, dass die obigen Entfernungen als "geschätzt" angezeigt werden (aber ich kann keine Informationen über die Grundlage dieser Schätzung finden).

Mein Grund für diese Frage ist die (zugegebenermaßen verrückte) Vorstellung, dass wir uns irren könnten, wenn wir annehmen, dass der interstellare Raum dem Raum, der einen Stern umgibt, grundsätzlich ähnlich ist. Kann es sein, dass es das tatsächlich nicht ist? Wir lernen ständig neue Dinge; Nehmen Sie zum Beispiel den Nachrichtenbericht vom Mai 2021 über Schwankungen im interstellaren Medium , in dem Jim Cordes, Weltraumphysiker in Cornell, mit den Worten zitiert wird:

„Ich habe den Ausdruck ‚das ruhende interstellare Medium‘ verwendet – aber es gibt viele Orte, die nicht besonders ruhig sind.“

Die Voyager-Sonden wagen sich ins Unbekannte, und wir haben derzeit – für einen begrenzten Zeitraum – die einzigartige Gelegenheit, die Hypothese zu testen, dass der interstellare Raum irgendwie anders ist, als wir ihn uns vorstellen; aber vielleicht wird es nicht getestet, wenn unser Glaube an unser derzeitiges Verständnis der „Gesetze“ der Bewegung zu stark ist.

Ich habe versucht, zum Maul des Pferdes zu gehen, um diese Frage zu stellen, aber die Kontaktseite auf der JPL-Website ist 404 :(

Mein Grund für diese Frage ist die (zugegebenermaßen verrückte) Vorstellung, dass wir uns irren könnten, wenn wir annehmen, dass der interstellare Raum dem Raum, der einen Stern umgibt, grundsätzlich ähnlich ist. Ich würde nicht sagen, dass diese Idee verrückt war, sondern unausgereift. Es erhebt sich nicht wirklich auf die Ebene einer Idee, wenn es in einer so vagen Form formuliert wird.

Antworten (1)

Auf welcher Grundlage werden die Informationen über Entfernung und Geschwindigkeit der Voyager-Sonden ermittelt?

  • Für Entfernung: Hin- und Rücklaufzeit von Funksignalen
  • Für die Geschwindigkeit: Doppler-Verschiebung von Round-Trip-Funksignalen und durch die Rate der Entfernungszunahme, wie oben diskutiert.

Die Voyager sowie viele andere Deep-Space-Raumfahrzeuge davor und danach tragen einen sogenannten kohärenten Transponder .

Das einfachste davon wäre das, was als "gebogenes Rohr" bezeichnet wird; ein Empfänger, der das Funksignal verstärkt und genau so weitersendet, wie es empfangen wurde.

Das Problem dabei ist, dass das empfangene Signal von so weit weg unglaublich schwach ist und das Raumschiff daher nicht 5 oder 10 Watt auf der genauen Frequenz senden kann, auf der es auch lauscht 10 − 20 Watt.

Phasenregelkreise zur Rettung!

Stattdessen wird das empfangene Signal mit einem lokalen Oszillator gemischt und heterodyn in eine etwas andere Frequenz umgewandelt, die durch eine rationale Zahl in Beziehung steht. Aus DESCANSO Kapitel 3; Voyager Telekommunikation

3.2.1.1 Uplink-Träger. Jede Deep Space Station (DSS) sendet eine Uplink-Trägerfrequenz von 2114,676697 Megahertz (MHz) an Voyager 1 und 2113,312500 MHz an Voyager 2. Der Träger kann unmoduliert oder mit Befehls- (CMD) oder Ranging-Daten (RNG) oder beidem moduliert sein. Eine Phasenverriegelung mit dem Uplink-Träger wird bereitgestellt. Wenn der Transponderempfänger (RCVR) phasenverriegelt ist, liefert sein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) eine Frequenzreferenz an den Exciter, um einen Downlink-Träger zu erzeugen, der mit dem Uplink bidirektional kohärent ist.

Die Downlink-Frequenzen sind in Tabelle 3.2 aufgeführt:

             Coherent Downlink
              Frequency (MHz) 
Voyager 1       2296.481481 
Voyager 2       2295.000000
Voyager 1       8420.432097 
Voyager 2       8415.000000

Wir können bestätigen, dass die Verhältnisse rationale Brüche sind:

3.2.2.1 Downlink-Träger. Wenn der Transponder auf den kohärenten Zwei-Wege-Verfolgungsmodus eingestellt und auf einen Uplink-Träger eingerastet ist, wird die empfangene Trägerfrequenz verwendet, um phasen- und frequenzkohärente Downlink-Träger zu erzeugen. Das Verhältnis zwischen Downlink-Frequenz und Uplink-Frequenz beträgt 240/221 für den S-Band-Downlink und 880/221 für den X-Band-Downlink.

Weitere Informationen zur Technik der Entfernungsratenbestimmung über Delay-Doppler-Messungen finden Sie in verschiedenen Beiträgen in Space Exploration SE mit dem Tag Delay-Doppler

Die Auswirkungen von Elektronen innerhalb und außerhalb des Sonnensystems sind gering, aber sie können nicht ignoriert werden. Sie können angegangen werden, indem das Rücksignal bei zwei verschiedenen Frequenzen gemessen wird, da der kleine, aber messbare Unterschied in der Geschwindigkeit eines Funksignals als Funktion der Frequenz eine einfache Funktion der Elektronendichte ist.

Auf diese Weise werden auch Entfernungen zu Fast Radio Bursts (FRBs) bestimmt.

Aus DESCANSO Serie 1: Kapitel 3; Entfernungs- und Doppler-Tracking-Observables :

Für jeden Fall wurde eine Verfolgung auf einem einzigen Frequenzband im Zwei-Wege-Modus angenommen. Zweifrequenz-Downlinks, die von einigen Raumfahrzeugen verfügbar sind, können verwendet werden, um die Auswirkungen der Ionosphäre und des Sonnenplasmas zu reduzieren. Zum Beispiel wurden solare Plasmaverzögerungen von mehr als 200 m in S-Band-Viking-Lander-Entfernungsmessungen auf eine Genauigkeit von etwa 8 m kalibriert, indem doppelte S- und X-Downlinks von den Viking-Orbitern verwendet wurden [86,87] . Heutzutage arbeiten Raumfahrzeuge hauptsächlich mit einem X-Band-Uplink und -Downlink. Plasmaeffekte für eine X-Band-Zweiwegeverbindung werden im Vergleich zu einer S-Band-Verbindung um den Faktor 13 reduziert. Die zukünftige Verwendung von Ka-Band-Zweiwegverbindungen würde diesen Effekt um einen zusätzlichen Faktor von 14 reduzieren.

Beim derzeitigen System ist der Zufallsfehler von 0,03 mm/s für eine über 60 s durchgeführte X-Band-Doppler-Messung hauptsächlich auf Schwankungen der Solarplasmadichte entlang der Sichtlinie zurückzuführen. Dieser Wert variiert mit der Nähe des Strahlengangs zur Sonne und mit dem Sonnenzyklus. Der Zufallsfehler für eine Entfernungsmessung ist hauptsächlich auf thermisches Rauschen zurückzuführen.

@Pendantry Ja, ich habe viel hinzugefügt, um umfassend zu sein. Sie können sich das ungefähr als Radar vorstellen: Die Zeit zwischen dem Senden und Empfangen eines Funksignals ermöglicht es Ihnen, die Entfernung zu messen, und die Doppler-Verschiebung (genau wie die Radarpistolen, mit denen die Polizei Ihre Geschwindigkeit misst) misst die Geschwindigkeit. Der Unterschied besteht darin, dass das Funksignal nicht passiv reflektiert, sondern empfangen und gleichzeitig zur Erde zurückgesendet wird, sodass es stark genug ist, um aufgenommen zu werden. Normales Radar auf Raumfahrzeugen funktioniert nur für etwa 10.000 km, vielleicht 100.000 km, nicht einmal bis zum Mond.
Das ist eine umfassende Antwort, vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben, sie zu verfassen! Ich muss zugeben, dass vieles über meinen Kopf geht. Ich stelle fest, dass Sie sagen, dass die Entfernung auf der „Rundreisezeit von Funksignalen“ basiert und dass die Geschwindigkeit ebenfalls auf dieser Messung basiert. Ich schätze, dass ich hier nur spitzfindig bin, aber ein Teil von mir wundert sich immer noch über die Tatsache, dass „Raum“ und „Zeit“ (wie wir sie derzeit verstehen) eng miteinander verbunden sind. Wie können wir sicher sein, dass wir diese Daten nicht falsch interpretieren, da wir uns wirklich auf unbekanntem Terrain befinden?
@Pendantry Ich denke, das ist Teil Ihrer geposteten Frage und ich habe das nicht sehr gut angesprochen. Hier ist meine Meinung dazu: Die radiometrischen Messungen (dh die Verwendung von Radio zum Messen) werden verwendet, um die Präzisionsflugbahnen für Vorbeiflüge von Planeten und ihren Monden und Asteroiden wie MU-69 (Ultima Thule, Arrokoth) und den zu planen und abzustimmen Die Positionen dieser Körper und ihre Umlaufbahnen werden auch durch optische Messungen mit Erdteleskopen über Jahre, Jahrzehnte oder Jahrhunderte bestimmt
@Pendantry Alles klappt erstaunlich gut, es gibt keine Lücken oder Meinungsverschiedenheiten. Die astronomischen Körper sind genau dort, wo sie sein sollten, basierend auf der Gravitation derselben Sonne, die die Erde kontrolliert. Es gibt sehr, sehr kleine Meinungsverschiedenheiten wie die Pioneer-Anomalie und die Flyby-Anomalie, die noch nicht vollständig erklärt sind, aber sie stimmen mit bekannten Einschränkungen überein. Beachten Sie, dass diese in Millimetern pro Sekunde gemessen werden, während die Geschwindigkeiten 10 bis 15 Kilometer pro Sekunde betragen.
@Pendantry Die Diskussion in Trajectory Monitoring and Control of the New Horizons Pluto Flyby und Abbildung 2 vermitteln ein Gefühl dafür, wie genau diese Entfernungen, Positionen und Geschwindigkeiten im Voraus bekannt sind und wie sorgfältig Flugbahnen selbst bei solch großen Entfernungen geplant werden können.
"Die empfangene Trägerfrequenz wird verwendet, um phasen- und frequenzkohärente Downlink-Träger zu erzeugen". Zwei Elemente darin nerven mich. A) Wie können sie die Doppler-Frequenzverschiebung von der Oszillatordrift an Bord des Voyager trennen? und B) wozu dient die Phasenkohärenz?
@NgPh B) antwortet A). Beachten Sie die große Schriftüberschrift „ Phased Locked Loops to the Rescue! “ Der abgehende Träger ist mit dem ankommenden Träger phasenverriegelt, wie in meiner Antwort und dem entsprechenden Blockzitat besprochen. Das Verhältnis zwischen ankommenden und abgehenden Frequenzen ist eine rationale Zahl, entweder 240/221 oder 880/221. Sehen Sie sich zum Beispiel Frequenzsynthesizer und Fractional/Integer-N PLL Basics an.
@uhoh Ich schätze wirklich die Zeit, die Sie für meine Frage aufwenden. Ich bestreite nicht, dass wir gut in der Lage sind, die Orte und Positionen der Körper in unserem Sonnensystem rückwärts und vorwärts durch die Zeit zu beschreiben – und verstehen, dass es genau dieses Wissen ist, das die Planung von Umlaufbahnen überhaupt erst ermöglicht. Aber meine Hauptfrage hängt davon ab, ob wir mit Sicherheit wissen können, ob der interstellare Raum im Grunde derselbe ist wie der Raum in der Nähe eines großen Gravitationsfelds, oder ob er sich in irgendeiner Weise (?) unterscheidet, die uns dazu verleitet, die Daten falsch zu interpretieren. Ja, es ist eine bizarre Idee, aber ... :)
@Pendantry okay, vielleicht gibt es in den nächsten Tagen weitere Antworten. Genießen!
Auf welcher Grundlage werden die Informationen über Entfernung und Geschwindigkeit der Voyager-Sonden ermittelt?
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