Da L2 keine sichtbare Markierung hat, wie wird die Bodenkontrolle von James Webb seine relative Position und Geschwindigkeit zum Halten der Position bestimmen?

James Webb wird sich in einer Halo-Umlaufbahn befinden und seine Position um den Sonne-Erde-Punkt L2 halten. Dies bedeutet, dass es seine Position in Bezug auf L2 überwachen muss, um die Position regelmäßig zu halten.

Aber L2 ist kein Objekt im Weltraum, das es umkreist. Sein Weg lässt sich besser als ein zyklischer Weg um einen sich durch den Raum bewegenden Punkt beschreiben, der keine sichtbare Markierung hat und durch seine Eigenschaft identifiziert wird, dass es sich um einen Gravitationssattelpunkt handelt. Aber dieses Merkmal hat keine spezifischen markanten physischen Markierungen, um es zu identifizieren, und die Schwerkraft ändert sich wahrscheinlich auch am Sattel nicht massiv stark.

Aus einer Entfernung von fast einer halben Million Meilen bin ich mir nicht sicher, ob der Gravitationsgradient bei JWST ausreicht, um mit Präzision zu identifizieren, wo er relativ zu L2 ausreichend ist, um die Station in seiner Umlaufbahn zu halten. Vielleicht verwendet es nur sehr präzise Detektoren des lokalen Gravitationsfeldes, aber wie es allein daraus die Positionshalte-Anpassungsdaten erhält, ist immer noch nicht klar, wenn ja.

Wie also erkennt JWST (oder genauer gesagt seine Bodenkontrolle) Korrekturen zur Positionserhaltung?

Update: Zur Verdeutlichung suche ich hauptsächlich nach Antworten mit einer Liste von "(tatsächlich gemessener Artikel) innerhalb von (X Betrag / %) von (Details zu Technik / Methode und wie erreicht)" und wie diese dann kombiniert werden / verwendet, um eine ausreichend genaue Position bezüglich L2 zu erzeugen. Plus alle interessanten/relevanten Details darüber oder über die verwendeten Techniken.

Update 2: Klärung der "Bodenkontrolle", ich meinte JW insgesamt, ohne überhaupt davon auszugehen, dass dies an Bord des Observatoriums erfolgt. Das war nicht klar, also habe ich es behoben.

Wie erkennt man das lokale Gravitationsfeld im freien Fall?
Keine Ahnung. Wenn ich raten müsste, kann dies indirekt erfolgen (Präzisionsmessungen der Bewegung bezüglich bekannter Objekte oder ihrer Entfernungen?), Aber ehrlich gesagt, keine Ahnung, welche Methode JW verwendet, weshalb ich die Frage gestellt habe.
@PM2Ring Innerhalb eines ausreichend starken Feldes kann eine Reihe von Beschleunigungsmessern die Gezeitenkräfte erkennen (Beschleunigungsunterschied zwischen entfernten Teilen des Fahrzeugs - diejenigen "über der richtigen Umlaufbahnhöhe" werden zum Planeten gezogen, diejenigen "unterhalb" werden weggedrückt Aus der Kraftdifferenz kann man bei Kenntnis der Planetenmasse die Höhe bestimmen, bei L2 aber egal, die Differenz unter messbaren Werten.
Außerdem: JWST muss immer auf der Erdhöhe des L2-Sattels bleiben, da Triebwerke nur zur Sonne zeigen. Auch die Sonnenstrahlung fügt eine erhebliche Kraft von der Sonne weg hinzu, und die JWST-Stationshaltung muss auf der Erdseite des L2-Sattels bleiben, wobei auch der Sonnenstrahlungsdruck berücksichtigt wird. Umso komplizierter ist die Ermittlung der optimalen Stationshaltung ...
@PM2Ring Die Geräte, die wir haben, sind gut genug, um die Gezeitenbeschleunigung in LEO mit großer Präzision zu messen, und dedizierte Geräte werden sogar Ergebnisse im Sonnenorbit bei 1 AE erhalten. Die Sache mit den Lagrange-Punkten ist jedoch, dass der Gravitationsgradient dort völlig flach wird. Auf Webbs Halo-Umlaufbahn ist es nicht mehr der komplette Nullpunkt dessen, was es auf L2 ist, aber es ist immer noch unzureichend, um nützlich zu sein.
@SF. Guter Punkt. :) Und tatsächlich lokalisiert mein Code in space.stackexchange.com/a/57679/38535 L1, L2 und L3, indem er die Nullen der Ableitung des effektiven Potenzials im rotierenden Rahmen findet.
Satelliten, die sich in der Erdumlaufbahn befinden, sind in Bezug auf die Bestimmung ihrer Position und Geschwindigkeit nicht viel besser in der Lage, selbst wenn die Erde ziemlich gut sichtbar ist.
Wenn es gegen eine Teekanne stößt , ist es wahrscheinlich zu weit gegangen.
Teekanne nicht mehr da ... jetzt in einer Garage mit Sagans Drachen.
Selbst mit Ihren Aktualisierungen glaube ich, dass meine Antwort Ihre Fragen immer noch beantwortet Messwerte, die vom Deep Space Network der NASA bereitgestellt werden, und eine Geschichte der Impulsentladung und orbitalen Manöver-Triebwerkszündungen.
Ich werde dem Schätzungen des Sonnenstrahlungsdrucks hinzufügen.

Antworten (2)

Wie identifiziert JWST Korrekturen, die die Position halten?

Das tut es nicht.

Während das JWST weiß, wohin es zeigt, weiß es nicht, wo es sich im Weltraum befindet. Es muss nicht. Das JWST Flight Dynamics Team, das vom Goddard Space Flight Center in Maryland aus operiert, erstellt regelmäßig aktualisierte Schätzungen darüber, wo sich das JWST im Weltraum befindet. Diese Ephemeriden basieren auf Reichweiten- und Reichweitenratenmessungen, die vom Deep Space Network (DSN) der NASA bereitgestellt werden, sowie auf Kenntnissen über Delta Vs aus früheren Impulsentladungs- und früheren Umlaufbahnkorrekturmanövern.

Es ist das JWST Flight Dynamics Team, das die gelegentlichen Delta-V-Manöver berechnet, die erforderlich sind, um das JWST in seiner Pseudo-Umlaufbahn um den Sonne-Erde-L2-Punkt zu halten. Das JWST selbst führt diese Befehle einfach aus: Zeigen Sie in diese und jene Richtung und feuern Sie, bis entweder eine bestimmte befohlene Zeitspanne verstrichen ist oder bis ein bestimmtes befohlenes Delta-V erreicht wurde.

Letzteres (Erreichen des befohlenen Delta V) erfordert Beschleunigungsmesser. Ich weiß nicht, ob der JWST Beschleunigungsmesser hat. In den letzten 20 Jahren gab es anscheinend interne Debatten darüber, ob der JWST Beschleunigungsmesser für diesen Zweck benötigt. Es benötigt keine Beschleunigungsmesser für die Selbstnavigation, da das JWST dies nicht tut.

Was das Flight Dynamics Team verwendet, um den Translationszustand (Position und Geschwindigkeit) des JWST abzuschätzen, ist ein Batch-Least-Square-Orbit-Bestimmungsalgorithmus, der auf einer Historie von Reichweiten- und Reichweitenratenmesswerten basiert, die vom Deep Space Network der NASA bereitgestellt werden, einer Historie von Impulsentladung und Orbitalmanöver-Triebwerkzündungen und Schätzungen des Sonnenstrahlungsdrucks.

Dies ist eine richtige Antwort. Mit Radioteleskopen am Boden und einem Transponder am JWST ist es möglich, die Entfernung zum Satelliten mit sehr hoher Genauigkeit (bis auf den Meter genau) und die Entfernungsrate (Geschwindigkeit im Vergleich zur Erde) bis auf Millimeter pro Sekunde zu messen. Bei Bedarf (sehr selten) können Radioteleskope paarweise verwendet werden, um die Richtung mit hoher Präzision zu erhalten. Der größte Teil des Rests sind einfach Newtons mechanische "Gesetze" und ein bisschen Mathematik. Der Satellit selbst weiß nur sehr wenig darüber, wo er sich befindet, kann das Teleskop jedoch mithilfe von Sternentrackern ausrichten.
@ghellquist Befindet sich der JWST nicht im Funkschatten des Mondes von der Erde? (Ich weiß es ehrlich gesagt nicht, aber L2 sieht für meine naive mentale Karte so aus, wie es sein sollte?)
@ Yakk, es umkreist Erde-Sonne L2, nicht Erde-Mond L2. Der Funkschatten des Mondes streicht nur zweimal im Monat über die Umlaufbahn, und da JWST eine Pseudo-Umlaufperiode von sechs Monaten hat, wird es nicht beide Male im Schatten sein. (Wenn das JWST-Team die Dinge richtig getimt hat, wird es niemals im Funkschatten des Mondes sein.)
@mark oh, das war jetzt ein langes Missverständnis meinerseits. Die Erdsonne L2 ist viel sinnvoller, wenn Sie sie kühl halten möchten. Ich bin jetzt überrascht, wie nah es ist!
@Mark: Die JWST-Halo-Umlaufbahn ist so groß, dass die gesamte Mondumlaufbahn beim Blick von L2 auf die Erde weniger als die Hälfte der Halo-Breite beträgt. JWST wird NIEMALS im Mondschatten sein. Dies war eine Hauptanforderung des JWST-Halo-Orbit-Designs. Keine Koordination mit der Mondumlaufbahn erforderlich.

Mathematik.

JWST wird die allgemeinen Techniken verwenden , um sich selbst im Weltraum zu lokalisieren – Doppler-Verschiebung, Sternentracker usw. – dasselbe, was Weltraumsonden verwenden. Wenn Sie die Sonnenposition, die Erdposition und ihre Massen kennen, kennen Sie die Position von L2. Wenn Sie die JWST-Position von ihrer Instrumentierung her kennen, können Sie berechnen, was sie in Bezug auf L2 ist.

Aber es scheint, dass es seine Position viel genauer kennen muss als die meisten Weltraumsonden, um feine Entscheidungen über die Stationshaltung und winzige Delta-V-Korrekturen zu treffen (und Star Tracker verlassen sich vermutlich auf Parallaxe und haben eine begrenzte Feingenauigkeit? Nur Doppler-Radio bekommt Sie 1D nicht 3D?) und ist auch viel weiter entfernt von Erde und Mond und anderen nahe gelegenen nützlichen Referenzobjekten, die erdlokale Objekte verwenden könnten.
@Stilez Doppler-Radio bringt Ihnen 1D, wenn es von 1 Bodenstation geht, 3D, wenn es von 3 rund um den Globus geht. Und es ist außergewöhnlich präzise - mit Timing können Sie die Genauigkeit auf ein paar Meter eingrenzen, aber von dort aus können Sie mit Phasenverschiebungsmessung auf Zentimeter herunterkommen. Es funktioniert nicht so gut für "3D" für Sonden im Kuipergürtel, aber bei Entfernungen wie L2 ist die Parallaxe zwischen einer Seite der Erde und der anderen mehr als genug, um die Sonde in ihrer Umlaufbahn zu halten. Egal, die Umlaufbahnen sind nicht so empfindlich, Webb ein paar Kilometer vom Kurs abzudriften, ist immer noch kein Problem.
@Stilez In Bezug auf " Aber es scheint, dass es seine Position viel genauer kennen muss als die meisten Weltraumsonden ... ": Das ist nicht der Fall. Der JWST weiß nichts darüber, wo er sich im Weltraum befindet. Es ist das JWST Flight Dynamics Team, das vom Goddard Space Flight Center in Maryland aus arbeitet (plus all die Programme, die diese Leute verwenden), das weiß, wo sich das JWST im Weltraum befindet, plus oder minus ein paar zehn Kilometer.
@RichardHammen - wenn ich sage "es muss es wissen", meine ich die Bodenmannschaft, nicht das Observatorium selbst. Sorry, dachte das wäre implizit. Aber meine Frage ist, welche genauen Messdaten und welche Genauigkeit mit den Messdaten erreicht wird, die verwendet werden, um "zu wissen, wo es plus oder minus ein paar zehn Kilometer ist" in Bezug auf L2. Also suche ich nach Antworten mit einer Liste von "<tatsächlich gemessener Artikel> innerhalb von <X Betrag/%> durch <Technik/Methode>" usw. und wie diese dann kombiniert/verwendet werden, um eine ausreichend genaue Position für L2 zu erzeugen
@SF - danke, hilfreicher Kommentar. Ohne Hintergrundwissen ist es schwierig zu wissen, was mit welcher Genauigkeit wie einfach gemessen werden kann. Aber der Grund, warum ich 1D gesagt habe, war ein Gedanke, dass Doppler Ihnen die relative axiale Geschwindigkeit (zur/von der Station hin) und nicht die relative Position liefert . Ich nehme an, Atomuhren und festes Antworttiming könnten auch die Signalzeit auf eine kurze Distanz fixieren??
@Stilez Genaue Messdaten gibt es nicht. Jede Messung hat Fehler und Unsicherheiten. Entfernung und Entfernungsrate (Doppler) ergeben zwei der sechs Messungen, die zur Angabe des Positions- und Geschwindigkeitszustands erforderlich sind. Allerdings führen Dutzende von Messwerten oder Dutzende von Dutzenden von Messwerten (oder mehr) in Verbindung mit Mathematik zu einem überspezifizierten System. Das ist gut. Es ermöglicht dem Schätzer, sich auf eine am besten passende Lösung zu konzentrieren.
@Stilez "Ping Roundtrip" -Zeit liefert erste grobe Entfernungsdaten. Doppler-Verschiebung gibt Geschwindigkeit. Die Phasenverschiebung liefert eine präzise Entfernungsmessung innerhalb dieser Hin- und Rückfahrt (bei den beteiligten Geschwindigkeiten beeinträchtigt die Dopplerverschiebung dies nicht). Senden Sie eine Welle mit einer Wellenlänge von 20 m und erhalten Sie die Antwort zurück. Wenn Sie das Antwort-Timing verwenden, erhalten Sie eine Entfernung von etwa 1.000.000 Metern. Bei der Phasenverschiebungsmessung sehen Sie, dass die Antwort 0,521 pi hinter der Quelle zurückbleibt, also +0,521 * 10 m (halbe Wellenlänge) = 1.000.005,21 Meter entfernt ist. Verwenden Sie eine höhere Frequenz, um eine feinere Verschiebungsmessung zu erhalten.
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