Mit welcher Technologie kann man ein Raumschiff wirklich nicht rotieren lassen?

Inspiriert von der Frage dachte ich, dass vielleicht ein Photonentriebwerk verwendet werden kann, um präzise Schub zu geben, um die Fluglage des Raumfahrzeugs aufrechtzuerhalten. Aber bald wurde mir klar, dass man für eine hochpräzise Lageregelung einen hochpräzisen Sensor benötigt. Also, im Prinzip (auch wenn dies mit der aktuellen Technologie nicht möglich ist), was ist die beste absolute Einstellungsreferenz, die man bekommen kann?

Verwandte Frage

Wenn man eine Rotation betrachtet, hat man ein Referenzdatum. Was ist in Ihrer Frage der Bezugspunkt? Ein entfernter Stern würde einen Bezugspunkt auf galaktischer Ebene liefern, nicht wahr? Die Galaxie dreht sich auch!
Genau das ist meine Frage. Auch wenn man einen Stern in einer anderen Galaxie als Referenz betrachtet. Man hat einfach nicht genug genaue Sensoren, um die Lage des Sterns zum jetzigen Zeitpunkt zu ermitteln. Jetzt möchte ich ein Objekt wirklich nicht rotieren lassen. Wahrscheinlich wäre es die nächste Herausforderung, es auf die perfekte Einstellung auszurichten.
Die Rotation eines starren Körpers in Bezug auf einen hypothetischen absolut inertialen Rahmen ist eine Frage, die Erzeugung einer optischen Wellenfront, die die Signalstärke maximiert, wenn sie schließlich an einem entfernten Ort empfangen wird, eine ganz andere. Beide haben Implikationen für die allgemeine Relativitätstheorie, aber die zweite macht man am besten, ohne über die erste nachzudenken. Wenn Sie wirklich fragen möchten, ob ein optisches System mit Sub-Bogensekunden-Auflösung so ausgerichtet werden soll, dass eine empfangene Signalstärke aus der Entfernung maximiert wird, ist es besser, dies zu fragen, ohne etwas über die Haltung von Raumfahrzeugen oder Trägheitsrahmen zu erwähnen.
Dies liegt daran, dass Licht wirklich ziemlich langsam ist und sich im Weltraum alles bewegt, und die Korrektur der Richtung eines Lichtstrahls mit kleinen optischen Komponenten viel einfacher und präziser erfolgen kann, als zu versuchen, die Lage des gesamten Raumfahrzeugs zu steuern, da dies der Fall ist auf dieser Ebene überhaupt kein starrer Körper
Aber um die optische Komponente zu steuern, braucht man das Wissen, wohin man steuern soll. Wie geht das ohne Einstellungswissen?
@Prakhar, eine kleine Einheit, die in der Brennebene platziert ist, kann sowohl einen Lichtemitter (Faserpigtail, der an einer Laserdiode + Modulator befestigt ist) als auch eine CCD enthalten, die Positionen von Sternen, Planeten oder anderen Objekten innerhalb eines Grades oder so des Ziels überwacht, was möglicherweise der Fall ist sei unsichtbar. Ein Computer + Ephemeriden kennen die Ausrichtung des einen in Bezug auf den anderen und können die Lichtzeit und andere Korrekturen vornehmen. Wenn die Bildverarbeitung eine Fehlausrichtung erkennt, können winzige MEMS-Aktuatoren die FP-Einheit oder nur die Faser um Mikrometer bewegen, um dies auszugleichen. Es ist nicht erforderlich, die Lage des gesamten Raumfahrzeugs zu ändern.
Ich schlage also nur vor, dass es besser sein könnte, eine Frage zur präzisen Lagekontrolle vollständig von einer anderen Frage zur Sub-Bogensekunden-Ausrichtung der optischen Kommunikation zu trennen.
Aber ich habe das nur als Beispiel angeführt, warum jemand diese hohe Genauigkeit haben möchte. Ich werde ein wenig über optische Kommunikation mit hoher Bandbreite recherchieren. Obwohl das Kernproblem immer noch dasselbe bleibt, ist die von herkömmlichen Lagesensoren gemessene Fehlausrichtung schlecht für ein solches Unterfangen, das den Hubble schont, denke ich.
Gravity Probe B en.wikipedia.org/wiki/Gravity_Probe_B erfasste seine Lage relativ zu IM Pegasi (dessen eigene absolute Position relativ zu entfernten Quasaren durch erdgestützte Radioastronomie gemessen wurde). Weitere Details einstein.stanford.edu/TECH/technology1.html#telescope . Die Zielgenauigkeit betrug < 0,1 Millibogensekunden (etwa 0,5 Nanoradian).

Antworten (4)

Das ist das (Attitude) Lost-in-Space-Problem. Dieses Problem tritt zum Beispiel auf, wenn ein Raumfahrzeug nach dem Start zum ersten Mal von der oberen Stufe freigegeben wird oder wenn ein Raumfahrzeug erwacht, nachdem es für eine lange Zeit stillgelegt war. Viele moderne Sternentracker haben einen „Lost in Space“-Modus, um dieses Problem anzugehen. Sternentracker lösen das Problem der Verlorenheit im Weltraum auf die gleiche Weise, wie es unsere Vorfahren taten, als sie sich auf See verirrten: Sie suchten nach vertrauten Mustern (auch bekannt als Konstellationen) in den Sternen. Star Tracker betrachten nicht nur einen Stern. Sie sehen viele an.

Es kann mehrere Sekunden dauern, bis solche Sterntracker zu einer Lagelösung gelangen, wenn die Lage vollständig unbekannt ist. Die Zeit zwischen den Aktualisierungen ist viel kürzer (und oft genauer), sobald der Sternentracker dieses Problem des verlorenen Raums gelöst hat.

Ich gehe davon aus, dass die NASA andere Methoden als die Sternverfolgung hat, sie sind ziemlich berühmt für Redundanz. Gibt es eine Spin-Rate, bei der die Lageerkennung durch diese Methode unmöglich wird – und welche anderen Instrumente würden in diesem Szenario verwendet, um die Stabilität wiederherzustellen?
@MagicOctopusUrn zwei Stern-Tracker?

Wie in den Kommentaren unter der Frage erörtert, erfordert das präzise Ausrichten einer optischen Komponente eines Raumfahrzeugs nicht die Einstellung auf das gleiche Maß an Präzision.

Aus diesem Kommentar :

Eine kleine Einheit, die in der Brennebene platziert ist, kann sowohl einen Lichtemitter (Faseranschluss an einer Laserdiode + Modulator) als auch ein CCD enthalten, das Positionen von Sternen, Planeten oder anderen Objekten innerhalb eines Grades oder so des Ziels überwacht, die möglicherweise unsichtbar sind . Ein Computer + Ephemeriden kennen die Ausrichtung des einen in Bezug auf den anderen und können die Lichtzeit und andere Korrekturen vornehmen. Wenn die Bildverarbeitung eine Fehlausrichtung erkennt, können winzige MEMS-Aktuatoren die FP-Einheit oder nur die Faser um Mikrometer bewegen, um dies auszugleichen. Es ist nicht erforderlich, die Lage des gesamten Raumfahrzeugs zu ändern.

Hier ist ein vorhandenes Beispiel einer Brennebenenvorrichtung mit einem Aktuator, der verwendet wird, um die Ausrichtung von Pixeln mit den Brennpunkten von entfernten Objekten mit einer Genauigkeit von weniger als einer Bogensekunde aufrechtzuerhalten.

Der Phys.org-Artikel Astrophysics CubeSat könnte verwendet werden, um Planeten zu untersuchen, die andere Sterne umkreisen, beschreibt den 6U-CubeSat der NASA

Auf einem weit entfernten Stern festzuhalten ist schwierig, weil es viele Dinge gibt, die auf subtile Weise auf den Satelliten drücken und ziehen, wie zum Beispiel die Erdatmosphäre und das Magnetfeld. Die Nutzlast von ASTERIA erreichte eine Zielstabilität von 0,5 Bogensekunden RMS, was sich auf das Ausmaß bezieht, in dem die Nutzlast über einen 20-minütigen Beobachtungszeitraum von ihrem beabsichtigten Ziel wegwackelt. Die Ausrichtungsstabilität wurde über mehrere Umlaufbahnen hinweg wiederholt, wobei die Sterne auf jeder Umlaufbahn auf denselben Pixeln positioniert wurden.

„Das ist so, als könnte man mit einem Laserpointer aus einer Entfernung von etwa einer Meile einen Vierteldollar treffen“, sagte Christopher Pong, der Einstellungs- und Ausrichtungskontrollingenieur für ASTERIA am JPL. „Der Laserstrahl muss innerhalb des Randes des Viertels bleiben, und dann muss der Satellit in der Lage sein, genau dasselbe Viertel – oder diesen Stern – über mehrere Umlaufbahnen um die Erde zu treffen. Was wir also erreicht haben, ist sowohl Stabilität als auch Wiederholbarkeit ." (Betonung hinzugefügt)

unten: „Dieses GIF zeigt eine Reihe von Bildern aus einer einzigen Beobachtung eines Sterns durch die Raumsonde ASTERIA. Auf den ersten paar Bildern scheint sich der Stern zu bewegen, während ASTERIA auf den Zielstern zuschwenkt und ihn dann erfasst Frames bleibt das Raumfahrzeug auf den Zielstern fixiert."" Von hier aus . Quelle: NASA/JPL-Caltech

ASTERIA cubesat Bild des Sterns

Die Zielpräzision der Nutzlast des optischen Teleskops von ASTERIA erfordert keine Lagekontrolle des gesamten Raumfahrzeugs, schlaffer Solarpanels und so weiter. Wie auf der JPL ASTERIA-Missionsseite Arcsecond Space Telescope Enabling Research in Astrophysics (ASTERIA) beschrieben :

ASTERIA ist ein 6U CubeSat (ca. 10 x 20 x 30 cm, 12 kg), der im erdnahen Orbit operieren wird. Die Nutzlast besteht aus einer Linsen- und Blendenanordnung, einem CMOS-Bildgeber und einem zweiachsigen piezoelektrischen Positioniertisch, auf dem die Fokusebene montiert ist. Ein Satz handelsüblicher Reaktionsräder sorgt für eine grobe Lagesteuerung. Die Feinausrichtung wird erreicht, indem eine Reihe von Leitsternen auf dem CMOS-Sensor verfolgt und der piezoelektrische Tisch bewegt wird, um Restausrichtungsfehler zu kompensieren. Eine präzise thermische Kontrolle wird erreicht, indem die Nutzlast vom Bus des Raumfahrzeugs isoliert wird, der Detektor passiv gekühlt wird und Trimmheizungen verwendet werden, um kleine Temperaturkorrekturen im Verlauf einer Beobachtung durchzuführen. (Betonung hinzugefügt)

unten: „Electrical Test Engineer Esha Murty (links) und Integrations- und Testleiter Cody Colley (rechts) bereiten das ASTERIA-Raumfahrzeug für Messungen der Masseneigenschaften im April 2017 vor der Auslieferung des Raumfahrzeugs vor.“

ASTERIA Cubesat

Das Teleskop selbst korrigiert also die Fehler, indem es die Stabilität des Bildes sieht. Einige interne Plattformen werden unter Verwendung eines piezoelektrischen Sensors/Aktuators fein gesteuert, um die Lage fein zu steuern. Ist dieses Verständnis richtig?
@Prakhar ja, der piezoelektrische Aktuator nimmt Feineinstellungen an der Position des Bildsensors vor. Ein Programm analysiert die Bilder anderer Sterne im selben Sichtfeld, und wenn sie sich um den Bruchteil eines Pixels bewegen, weist es die Piezos an, das CCD zurückzubewegen, sodass die Leitsterne wieder auf ihren ursprünglichen Pixeln abgebildet werden. Die Optik des Teleskops driftet mit der Lage des Raumfahrzeugs, aber das CCD bewegt sich, um die resultierende Bilddrift zu verfolgen.
Das habe ich mir vor dieser Antwort auch gedacht, was man tun kann, wenn man ein Teleskop hinstellen muss. Die Antwort ist sehr informativ. Aber meine Anwendung / mein Interesse ist eigentlich die optische / Laserkommunikation zwischen Satelliten im Orbit. Was eine hohe Zeigegenauigkeit erfordert. In diesem Fall funktioniert diese Methode also nicht!
@Prakhar Optische Kommunikation erfolgt mit Teleskopen, die im Wesentlichen mit Bildteleskopen identisch sind. Siehe die Bearbeitung, die ich gerade an der Antwort vorgenommen habe. Wenn Sie ein optisches Kommunikationssystem untersuchen, das im Weltraum demonstriert wurde, oder sogar optische Langstreckenverbindungen im freien Weltraum, die auf der Erde verwendet werden, haben sie alle Cassegrain-Teleskope, mit Ausnahme vielleicht einiger Geräte mit kleiner Öffnung. Wenn es sich um Sat-zu-Sat-Kommunikation handelt, dann würden sich ein oder zwei Teleskoppaare im Wesentlichen gegenseitig anschauen.
@Prakhar Einer könnte ein optisches Leuchtfeuersignal senden, auf das sich der andere einrastet, und die Computer nehmen eine Offset-Korrektur für die Verzögerung aufgrund der Lichtzeit vor.
Wenn das möglich ist, ist es ziemlich cool. Der Abbildungsteil selbst korrigiert winzige Plattformfehler. Verwenden des Fehlers im erforderlichen Endeffekt selbst als Sensormesswert !!!

Die Gravitationssonde B erfasste ihre Lage relativ zu einem Stern namens IM Pegasi (dessen eigene absolute Position relativ zu entfernten Quasaren durch erdgestützte Radioastronomie gemessen wurde) mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Millibogensekunde.

Weitere Details finden Sie in diesem Artikel. Zusammenfassend: Sie hatten ein Teleskop von etwa 36 cm Länge und 14 cm Öffnung, das ein Bild des Leitsterns erzeugte (das Bild war eine Scheibe aufgrund der Beugung an der Teleskopöffnung). Sie teilten diese Scheibe in vier Teile und maßen die Gesamtlichtintensität in jedem Teil elektrisch. Die Intensitätsunterschiede (oben/unten und links/rechts) sagten ihnen, wie nah sie auf die Mitte der Sternscheibe zeigten. Das Teleskop (und der gesamte Rest des Satelliten) bestand aus sehr starrem Quarz, das mit flüssigem Helium auf 2,3 K gekühlt und sorgfältig vor magnetischen Streufeldern und anderen Störquellen geschützt wurde. Die Lage des Raumfahrzeugs (und seine Umlaufbahn) wurden mit winzigen Triebwerken gesteuert, die durch das langsame Verdampfen des flüssigen Heliums angetrieben wurden. Das Raumfahrzeug wurde während des Betriebs kontinuierlich innerhalb von etwa 200 Millibogensekunden ausgerichtet.

Sehr schön! Vier-Quadranten-Detektoren zur Differenznullung waren früher weit verbreitet, beispielsweise in Atomkraftmikroskopen, terrestrischen Teleskopen und sogar großen Raketenverfolgungsschüsseln. Warum vier Parabeln auf einer bodenseitigen Anordnung statt nur einer einzigen großen

Dies ist von dieser Antwort getrennt, um eine veröffentlichte Lösung von einer allgemeinen Erklärung und Hypothese zu trennen.

Der Phys.org-Artikel Laser-pointing system could help tiny satellites transmit data to Earth beschreibt ein System, das gut in einen ~1 HE-Abschnitt eines Cubesat passt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

„Selbst wenn der ganze Satellit etwas falsch ausgerichtet ist, kann man das mit diesem Spiegel korrigieren“, sagt Cierny. „Aber diese MEMS-Spiegel geben Ihnen kein Feedback darüber, wohin sie zeigen. Angenommen, der Spiegel ist in Ihrem System falsch ausgerichtet, was nach einigen Vibrationen während des Starts passieren kann. Wie können wir das korrigieren und genau wissen, wo wir uns befinden.“ zeigen?"

Als Lösung entwickelte Cierny eine Kalibrierungstechnik, die bestimmt, um wie viel ein Laser von seinem Ziel der Bodenstation falsch ausgerichtet ist, und automatisch den Winkel des Spiegels korrigiert, um den Laser genau auf seinen Empfänger zu richten.

Die Technik integriert eine zusätzliche Laserfarbe oder Wellenlänge in das optische System. Anstatt dass also nur der Datenstrahl durchgeht, wird ein zweiter Kalibrierungsstrahl mit einer anderen Farbe mitgeschickt. Beide Strahlen prallen vom Spiegel ab, und der Kalibrierstrahl passiert einen „dichroitischen Strahlteiler“, eine Art optisches Element, das eine bestimmte Lichtwellenlänge – in diesem Fall die zusätzliche Farbe – vom Hauptstrahl weglenkt. Während der Rest des Laserlichts in Richtung einer Bodenstation wandert, wird der abgelenkte Strahl zurück in eine Bordkamera gelenkt. Diese Kamera kann auch direkt von der Bodenstation einen Uplink-Laserstrahl oder Bake empfangen; Dies wird verwendet, damit der Satellit auf das richtige Bodenziel zeigen kann.

[...] "Dies zeigt, dass man ein Low-Power-System einbauen kann, das diese schmalen Strahlen auf dieser winzigen Plattform erzeugen kann, die um den Faktor 10 bis 100 kleiner ist als alles, was jemals zuvor für so etwas gebaut wurde." Cahoy sagt. „Das einzige, was aufregender wäre als das Laborergebnis, wäre, dies aus dem Orbit zu sehen. Das motiviert wirklich, diese Systeme zu bauen und sie dorthin zu bringen.“

Der Artikel verlinkt auf das kürzlich veröffentlichte Open-Access - Papier in Optical Engineering (Ondrej Čierny & Kerri L. Cahoy 2018) On-orbit beam pointing Calibration for nanosatellite laser communication

Das Papier beschreibt das System im Detail, einschließlich der verwendeten Elektronik und des verwendeten Zeigealgorithmus, und präsentiert das Ergebnis einer Simulation, die auf Messdaten des Prototyps basiert.

Abstrakt:

Wir beschreiben Techniken, die entwickelt wurden, um die Strahlausrichtungssteuerung für eine CubeSat-Laser-Downlink-Demonstrationsmission zu optimieren, die am MIT Space Telecommunications, Astronomy, and Radiation Laboratory entwickelt wird. Zur Feinausrichtung des Downlink-Strahls verwendet die Mission ein Uplink-Beacon-Signal bei 976 nm, das von einem integrierten ±5-Grad-Sichtfelddetektor erfasst und von einem handelsüblichen 3,6-mm-MEMS schnell verfolgt wird Steuerspiegel. Da diesen Miniatur-Aktuatoren Feedback-Sensoren fehlen, wird das Systemdesign durch ein optisches Kalibrierungssignal ergänzt, um das Ausrichtungs-Feedback des Spiegels bereitzustellen. Wir beschreiben das System und führen Kalibrierungsalgorithmen ein, die das Rückkopplungssignal verwenden, um eine Strahlausrichtungssteuerung mit höherer Genauigkeit zu erreichen.Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Beacon-Tracking-Fehler von nur 16 μrad quadratischem Mittelwert für beide Achsen machbar sind, was die Missionsausrichtungsanforderung von 0,65 mrad deutlich übertrifft und die Machbarkeit schmalerer Strahlen und höherer Datendurchsätze für Downlink-Demonstrationsmissionen der nächsten Generation anzeigt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Mit welcher Technologie kann man ein Raumschiff wirklich nicht rotieren lassen?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v