Wie verfolgen wir den genauen Standort des Raumfahrzeugs, das Millionen oder Milliarden von Kilometern von uns entfernt ist?

Wie verfolgen wir den genauen Standort des Raumfahrzeugs, das Millionen oder Milliarden von Kilometern von uns entfernt ist?

Wir verfolgen nicht den genauen Standort von Raumfahrzeugen. Es gibt immer Messfehler, Fehler im Verhalten des Raumfahrzeugs bei Manövern und Fehler in unseren Modellen des Sonnensystems. Genauigkeit (Perfektion) ist unerreichbar. Es ist viel besser, diese Fehler zu modellieren, als so zu tun, als gäbe es sie nicht.

Welche Dinge untersuchen wir zu Tracking-Zwecken?

Dies hängt sehr stark vom jeweiligen Objekt ab. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, ob das interessierende Objekt ein kooperatives oder ein unkooperatives Ziel ist. Ein kooperatives Ziel kooperiert irgendwie aktiv bei der Bestimmung der Flugbahn des Objekts. Der Mond, die Sonne, die Planeten, Asteroiden usw. sind offensichtlich nicht kooperativ. Alle interessanten Objekte im Weltraum waren bis Mitte des 20. Jahrhunderts unkooperativ, und die einzigen verfügbaren Messungen waren die Winkelposition des Objekts (Azimut und Elevation), wie sie von einem Beobachter auf der Erdoberfläche gesehen wurde.

Dies änderte sich drastisch in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, als die Menschheit Radar entwickelte und begann, kooperative Ziele in den Weltraum zu schicken. Radar ermöglicht die Messung der Entfernung zu etwas nahe gelegenen Objekten im Weltraum, wobei "etwas nahe" einige astronomische Einheiten oder so bedeutet. Allein diese Entfernungsmessungen sind ziemlich genau, so dass Richtungsmessungen (Azimut und Elevation) von geringerer Bedeutung sind.

Kooperative Ziele, die ein von der Erde gesendetes Signal zurück zur Erde weiterleiten, verbessern die Reichweite dieser ohnehin schon sehr präzisen Entfernungsmessung drastisch und ermöglichen eine noch genauere Messung, die Entfernungsrate (die Rate, mit der sich die Entfernung zum Ziel in Bezug auf die Zeit ändert ).

Mit einer Ausnahme sind Messungen darüber, wo sich ein kooperatives Ziel am Himmel befindet, im Vergleich zu Entfernung und Entfernungsrate so ungenau, dass diese Messungen im Wesentlichen nutzlos sind. Diese eine Ausnahme ist Delta-Differential One Way Ranging, kurz ΔDOR. Dies beinhaltet gleichzeitige Beobachtungen einer Weltraumsonde durch zwei oder mehr Bodenstationen, die Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind. Interferometrische Techniken ergeben eine Genauigkeit im Nanoradian-Bereich bei der Winkelposition des beobachteten Objekts.

Wie genau prognostizieren wir?

Selbst bei Entfernungs-, Entfernungsraten- und ΔDOR-Messungen liefert ein einziger Satz von Messungen Informationen über nur vier Messungen des Zustands eines Objekts. Da ΔDOR außerdem die gleichzeitige Verwendung von zwei Bodenstationen erfordert, ist es ziemlich teuer . In vielen Fällen gibt es zu jedem Zeitpunkt nur eine (Range) oder zwei Beobachtungen (Range und Range Rate). Ob eine, zwei oder vier Messungen, das reicht nicht aus, denn ein Objekt im Raum hat sechs translatorische Freiheitsgrade. Das Ableiten des Orbitalzustands aus einem einzigen Satz von Messungen ist ein unterbestimmtes Problem.

Was getan wird, ist, mehrere Sätze von Messungen zu kombinieren, die im Laufe der Zeit gesammelt wurden. Dies ist ein überbestimmtes Problem. Jede dieser Messungen ist mit einem Fehler verbunden, die Ausbreitung von einer Messung zur anderen führt zu zusätzlichen Fehlern (Prozessrauschen), und ungenaues Verhalten einer Sonde, wenn sie eine Korrekturverbrennung durchführt oder ihre Einstellung anpasst, führt zu weiteren Fehlern (Anlagenrauschen). .

Die Beschreibung der Techniken, die zum Kombinieren dieser mehreren Messungen und zum Berücksichtigen von Messrauschen, Prozessrauschen und Anlagenrauschen erforderlich sind, würde mehrere Bücher erfordern. Wenn Sie dies selbst studieren möchten, müssen Sie statistische Filtertechniken verstehen. Ein interessanter Schlüsselwortsatz ist "Precision Orbit Determination", kurz POD.

Obwohl diese Seite keine sehr detaillierte Antwort gibt, gibt sie eine relativ gute Vorstellung davon, wie dies erreicht wird:

Das JPL hat fünf Gruppen, die sich gemeinsam um die Navigation kümmern.

• Ephemeriden-Gruppe

  Berechnet die Positionen astronomischer Objekte zu vorhergesagten Zeiten.
  
  

• Analysten für die Bestimmung der Umlaufbahn

  Untersuchen Sie Funkübertragungen und Bilder von Kameras, um den aktuellen Standort des Raumfahrzeugs zu bestimmen.
  
  

• Manöver Designer

  Planen Sie Antriebsmanöver, um das Raumschiff auf der richtigen Flugbahn zu halten.
  
  

• Radiometrisches Tracking-Team

  Bewertet Techniken zum Erfassen und Verbessern der Genauigkeit von funkbasierten Messungen der Geschwindigkeit, des Standorts und des Winkels des Raumfahrzeugs relativ zur Erde.
  
  

• Trajektorien-Designer

  Planen Sie den effizientesten Weg für das Raumfahrzeug.
  
  

Es ist also wirklich eine Teamarbeit, an der große Gruppen von Experten beteiligt sind, die verschiedene Methoden anwenden, um einen Satelliten zu lokalisieren.