Wie genau sind moderne Ephemeriden und wie lässt ihre Genauigkeit mit der Zeit nach?

Ich habe darüber gelesen, was es mit der Herstellung einer Ephemeride auf sich hat, und mich darüber gewundert. Da ich das Gefühl hatte, Artikel gelesen zu haben, die Umlaufbahnen über viele tausend Jahre extrapolierten, suchte ich nach einem Beispiel und fand dieses ziemlich interessante bei phys.org:

Astronomy & Astrophysics veröffentlicht eine neue Studie über die orbitale Entwicklung der Kleinplaneten Ceres und Vesta, wenige Tage vor dem Vorbeiflug der Raumsonde Dawn an Vesta. Ein Team von Astronomen fand heraus, dass enge Begegnungen zwischen diesen Körpern zu einem stark chaotischen Verhalten ihrer Umlaufbahnen sowie der Exzentrizität der Erde führen. Das bedeutet insbesondere, dass die vergangene Erdumlaufbahn nicht über 60 Millionen Jahre hinaus rekonstruiert werden kann.

Der Wikipedia-Artikel über JPLs Development Ephemeris gibt einen Eindruck davon, wie enorm komplex diese Berechnungen sind und wie viele Beobachtungen verwendet werden. Dieses Zitat gibt ein bisschen Sinn:

DE418[23] wurde 2007 für die Planung der New-Horizons-Mission zum Pluto freigegeben. Neue Beobachtungen von Pluto, die sich die neue astrometrische Genauigkeit des Hipparcos-Sternkatalogs zunutze machten, wurden in die Anpassung aufgenommen. Die Entfernungsmessungen und VLBI-Beobachtungen von Mars-Raumfahrzeugen wurden bis 2007 aktualisiert. Asteroidenmassen wurden unterschiedlich geschätzt. Zum ersten Mal seit DE403 wurden Mondlaser-Entfernungsdaten für den Mond hinzugefügt, wodurch die Mondumlaufbahn und die Librationen erheblich verbessert wurden. Geschätzte Positionsdaten der Raumsonde Cassini wurden in die Anpassung einbezogen, wodurch die Umlaufbahn des Saturn verbessert wurde, aber eine strenge Analyse der Daten wurde auf einen späteren Zeitpunkt verschoben. DE418 deckte die Jahre 1899 bis 2051 ab, und JPL empfahl, es aufgrund kleinerer Inkonsistenzen, die aus Zeitgründen in den Massen der Planeten verblieben, nicht außerhalb dieses Bereichs zu verwenden

Wie schnell schleicht sich Unsicherheit in solche Berechnungen ein und welche Art von Fehlermarge ist damit verbunden? Macht die Rechenleistung moderner Computer einen Unterschied, dh können alle bekannten Objekte und Kräfte in ein Programm eingegeben werden, das die Zahlen zerkleinert, oder müssen die kleineren Dinge aus der Formel gestrichen werden? Beeinflusst dies die Missionsplanung zu Asteroiden?

Es gibt immer Ungewissheit. Die Frage ist, wie viel Unsicherheit in der Antwort akzeptabel ist.
Ist das Ausmaß der Ungewissheit normalerweise bekannt, oder ist das manchmal eine unbekannte Unbekannte?
Chaotische Systeme divergieren im Laufe der Zeit exponentiell. Eine bessere Kenntnis der Anfangsbedingungen bringt Ihnen also nur eine geringfügige (nichtlineare) Steigerung der Vorhersagefähigkeit. (Siehe Lyapunov-Exponent) Das Hinzufügen von ein paar weiteren Objekten ist fast nutzlos. Die kleineren Dinge fallen für langfristige Auswirkungen nicht weg, können aber kurzfristig (fast) ignoriert werden (z. B. für die Planung von Asteroidenmissionen).
Auf einer anderen Wikipedia-Seite können Sie sehen, dass die JPL-Ephemeriden häufiger als einmal alle 20 Jahre aktualisiert werden.
Richtig - das macht Sinn angesichts des ständigen Stroms neuer Daten, was mit einer Datei auf einem Server jetzt und so ist.
Wow, diese Formel ist erstaunlich komplex. Es heißt, dass DE102 aus 48.479 Beobachtungen berechnet wurde – im Jahr 1977. Ich bin mir nicht sicher, ob das bedeutet, dass es auf 48.479 Objekten basierte. Das klingt für einen Großrechner im Jahr 1977 herausfordernd.
Das ist eine falsche Referenz in dem zitierten Wikipedia-Artikel. Es gibt kein einziges Wort in diesem Papier, das die Behauptung stützt, dass "das JPL seine veröffentlichten Ephemeriden in Abständen von 20 Jahren überarbeiten muss". Wie Mark Adler betonte, veröffentlicht JPL seine Ephemeriden viel häufiger als einmal alle zwanzig Jahre.
In Ordnung, ich werde dieses Zitat bearbeiten und durch das gerade hinzugefügte ersetzen.
Diese Zahl von 48.479 ist die Anzahl der Beobachtungen, die für DE102 verwendet wurden, nicht die Anzahl der Objekte. Eine Beobachtung umfasst die Zeit, zu der die Beobachtung gemacht wurde, wo sie gemacht wurde, welcher Körper beobachtet wurde und die Beobachtung selbst.
Diese Frage ist zu vage, um sie wirklich zu beantworten. Obwohl fast jede Frage mit „es kommt darauf an“ beantwortet werden könnte, verdient diese eine riesige ES HÄNGT ab. Es hängt davon ab, was Sie mit "genau" meinen, welchen Körper (Mars ist viel, viel besser bekannt als Pluto), welche Komponente seiner Bewegung (z. B. kennen Sie vielleicht die Form der Umlaufbahn gut, aber die Downtrack-Position in der Umlaufbahn schlecht ). Wie ebenfalls erwähnt, ist die Verschlechterung der Genauigkeit nicht immer stetig. Singuläre Ereignisse können eine plötzliche, große Verstärkung der Ausbreitungsfehler verursachen.
Hm. Meine Fragen richten sich an Anfänger, da ich einer bin, und in diesem Fall dachte ich, dass eine Art Umfrage beantwortet werden könnte. Keine allgemeine Lektüre, die ich gefunden habe, gibt einen Eindruck davon, wie viel Genauigkeit ins Spiel kommt oder wann dies ein Problem darstellt. Ich denke, das ist wirklich das, was ich wissen möchte, vielleicht wäre es eine Verbesserung, es so zu überarbeiten. Das Ganze kommt mir einfach ziemlich interessant vor.
Ich habe ein pdf von Folkner et al. auf der Website des International Laser Ranging Service der NASA, die mir anscheinend sagen wird, was ich wissen möchte, wenn ich sie durchsuche und die Teile zusammensetze, die ich verstehen kann. Also werde ich versuchen, das zu tun und eine Antwort zu posten, die in der Art von Laienperspektive verallgemeinert ist, an die ich denke. Dieses Schiff ist wahrscheinlich zu weit gesegelt, als dass es fair von mir wäre, es grundlegend umzuschreiben (jemand hat es favorisiert).
Vielleicht möchten Sie etwas über die Arbeit von Jack Wisdom (MIT-Prof) über extrem lange (>100 Myr) Integrationen der Dynamik des Sonnensystems lesen: web.mit.edu/wisdom/www/measurements.pdf web.mit.edu/wisdom/www /longterm.pdf en.wikipedia.org/wiki/… tinyurl.com/q2klvuo
Oh sicher, lade mich noch mehr hoch, warum tust du es nicht ;) Ich schaue sie mir an, speichere wahrscheinlich Kopien, damit ich sie markieren kann.

Antworten (1)

Die aktuelle Genauigkeit der im September 2013 veröffentlichten JPL Developmental Ephemerides wird von ihren Autoren in ihrem Artikel The Planetary and Lunar Ephemerides DE430 and DE431 angegeben , der unten zitiert wird:

Es ist bekannt, dass die heutige Mondumlaufbahn eine Genauigkeit im Submeterbereich aufweist, indem Mondlaser-Entfernungsdaten mit einem aktualisierten Mondgravitationsfeld aus der Mission Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) angepasst werden. Die Umlaufbahnen der inneren Planeten sind durch passende Funkverfolgungsmessungen von Raumfahrzeugen in ihrer Umlaufbahn auf Subkilometer genau bekannt. Interferometrische Messungen mit sehr langen Basislinien von Raumfahrzeugen auf dem Mars ermöglichen es, die Ausrichtung der Ephemeriden an den internationalen Himmelsreferenzrahmen zu bindenmit einer Genauigkeit von 0′′.0002. Diese Orientierung ist die begrenzende Fehlerquelle für die Bahnen der erdähnlichen Planeten und entspricht Bahnunsicherheiten von einigen hundert Metern. Die Bahnen von Jupiter und Saturn werden als Ergebnis passender Raumfahrzeug-Tracking-Daten auf Genauigkeiten von mehreren zehn Kilometern bestimmt Bahnen von Uranus, Neptun und Pluto werden hauptsächlich aus astrometrischen Beobachtungen bestimmt, bei denen Messunsicherheiten aufgrund der Erdatmosphäre in Kombination mit Unsicherheiten im Sternkatalog die Positionsgenauigkeit auf mehrere tausend Kilometer begrenzen.

Da die Schwerkraft jedes Körpers im Sonnensystem alle anderen ständig beeinflusst, gibt es keine Möglichkeit, die zukünftige Bewegung von Körpern über lange Zeiträume genau zu berechnen. Dies ist als n-Körper-Problem bekannt . Die Störungstheorie wird verwendet, um ungefähre Projektionen des zukünftigen Verhaltens zu finden. Die Lyapunov-Zeit ist die Zeit, die die Flugbahnprojektionen der Körper des Systems benötigen würden, um um einen Faktor e zu divergieren. Für das gesamte Sonnensystem beträgt diese Zeit etwa 50 Millionen Jahre. Funktional bedeutet dies, dass, egal wie genau und vollständig die anfänglichen Messungen sind, nichts wirklich darüber gesagt werden kann, wo etwas in 50 Millionen Jahren sein wird.

Kurzfristig häufen sich Fehler langsam an. DE431 projiziert Umlaufbahnen für 17.000 Jahre in die Zukunft. DE430 verwendet ein komplexeres Modell – es beinhaltete eine Berechnung, wie sich die Bewegung des Mondkerns in Bezug auf seinen Mantel auf seine Umlaufbahn auswirken würde. Aus diesem Grund wurde seine Genauigkeit nur für Projektionen über die Jahre 1550 bis 2650 als angemessen erachtet.

Die Autoren von DE430 und DE431 haben nicht versucht, die wahrscheinlichen Fehlergrenzen für ihre Ephemeriden-Projektionen zu quantifizieren. Sie notierten sorgfältig die Bereiche der Restfehler in allen Beobachtungen, die in den Berechnungen verwendet wurden. Wahrscheinliche Fehlerspannen dürfen bei solchen Vorhersagen aus folgenden Gründen in absteigender Reihenfolge nicht angegeben werden können:

  • Solche Systeme sind von Natur aus chaotisch
  • Verwendete Messungen und Modelle weisen Ungenauigkeiten auf
  • Es gibt Faktoren, die bekanntermaßen die Ergebnisse beeinflussen, die nicht ausreichend quantifiziert wurden, um sie in die Modellierung einzubeziehen (z. B. die Umlaufbahn des Sonnensystems um die Galaxie).
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