Wie (zum Teufel) können Triebwerke allein New Horizons gut genug stabilisieren, um 30 Sekunden lange Belichtungen mit hoher Vergrößerung aufzunehmen, um +21 Millionen Objekte zu sehen?

Der Long Range Reconnaissance Imager von Wikipedia sagt, dass LORRI ein:

...Teleskop an Bord der Raumsonde New Horizons zur Bildgebung. LORRI wird seit seiner Einführung im Jahr 2006 zur Abbildung von Jupiter, seinen Monden, Pluto und seinen Monden und Arrokoth verwendet. LORRI ist ein Spiegelteleskop im Ritchey-Chrétien-Design und hat einen Hauptspiegeldurchmesser von 20,8 cm (8,2 Zoll). . LORRI hat ein schmales Sichtfeld, weniger als ein Drittel Grad. Bilder werden mit einem CCD aufgenommen, das Daten mit 1024 × 1024 Pixeln erfasst. LORRI ist eine teleskopische panchromatische Kamera, die in die Raumsonde New Horizons integriert ist, und sie ist eines von sieben großen wissenschaftlichen Instrumenten auf der Sonde. LORRI hat keine beweglichen Teile und wird durch Bewegen des gesamten New Horizons-Raumschiffs ausgerichtet.

Später im Design heißt es:

Das Design kann Bilder bei sehr niedrigen Lichtverhältnissen aufnehmen, die für die Mission erforderlich sind, einschließlich Lichtverhältnissen von 1/900 derjenigen der Erde, wenn sie sich auf Pluto befindet.[4] Für die Arrokoth-Begegnung wurde die längste Belichtungszeit (bis zu zehn Sekunden für den Pluto-Vorbeiflug) erhöht. Dies wurde nach dem Pluto-Vorbeiflug vom Team durchgeführt, um das Aufnehmen von Bildern bei noch geringeren Lichtverhältnissen zu unterstützen.

Nach dem Pluto-Vorbeiflug wurden Belichtungszeiten von mindestens 30 Sekunden ermöglicht, was auch nützlich war, um Aufklärungsbilder aufzunehmen und Aufnahmen bis zu einer Helligkeit von 21 Magnituden zu ermöglichen.

LORRI wird ausgerichtet, indem das gesamte Raumfahrzeug bewegt wird, was die Belichtungszeit begrenzt. Das Raumschiff hat keine Reaktionsräder und wird durch Triebwerke stabilisiert.

Einen Stern der Größe +21 mit einem 20,8-cm-Teleskop zu sehen, erfordert wie erwähnt eine lange Belichtungszeit. Ich bin überrascht, dass Triebwerke allein dieses Raumschiff und damit dieses Teleskop so gut stabilisieren können, ohne die Verwendung eines anderen Lageregelungssystems.

Im Gegensatz zu den bei einigen Raumfahrzeugen im Weltraum beliebten Push-Broom-Kameras, die eine langsame Rotation des Raumfahrzeugs verwenden, um ihre 1D-CDD für Bildgebungszwecke über ein Feld zu scannen, ist LORRI eine "normale" 2D-CCD-Kamera und erfordert daher eine gleichmäßige Ausrichtung während einer Aufnahme.

Frage: Wie (zum Teufel) können Triebwerke allein New Horizons gut genug stabilisieren, um 30 Sekunden lange Belichtungen mit hoher Vergrößerung aufzunehmen, um +21 mag zu sehen. Objekte?

Gibt es dafür spezielle Tricks? Vielleicht gegenüberliegende Triebwerke für sehr geringfügig unterschiedliche Zeiten abfeuern, anstatt zu versuchen, nur eine für sehr kurze Zeit abzufeuern? Gibt es andere Drehmomentquellen, die verwendet werden, um jede Rotation während der bis zu 30 Sekunden langen Belichtungszeiten fein zu nullen?

Aus Wikipedias [New Horizons; Antriebs- und Lageregelung] ( https://en.m.wikipedia.org/wiki/New_Horizons ):

Es gibt 16 Triebwerke auf New Horizons: vier 4,4 N (1,0 lbf) und zwölf 0,9 N (0,2 lbf), die in redundante Zweige eingelassen sind. Die größeren Triebwerke werden hauptsächlich für Flugbahnkorrekturen verwendet, und die kleinen ... werden hauptsächlich zur Lageregelung verwendet.

Was wäre eine akzeptable Winkelgeschwindigkeit, die toleriert werden kann, um ein Bild mit einer Belichtungszeit von 30 Sekunden aufzunehmen?
Angesichts der Tatsache, dass die Steuertriebwerke nur 0,9 N (einige Quellen geben 0,8 N an) haben und für eine kurze Dauer von 5 Millisekunden (Gesamtimpuls von 5 mNs!) Zünden können , sind sie für einige lächerlich feine Einstellungen geeignet.
@AJN Astrometrie wie die Parallaxenmessungen können auf wenige Prozent von 1 Pixel durchgeführt werden, aber das sind kurze Belichtungen für helle, nahe Sterne. Tatsächlich ist Beteigeuze zu hell für eine Parallaxenmessung! Für die normale Bildgebung von schwachen Asteroiden (wofür die +21 mag wahrscheinlich sein würden) könnte ~ 1 Pixel ausreichen, aber wenn es auf einen abzielt, sollten Sie so viel astrometrische Präzision wie möglich wünschen, nehme ich an.
Wenn die pixelbezogene Winkelstreuung (Dauer über 30 s) in eine auf das Raumfahrzeug bezogene Winkelverschiebung umgewandelt werden kann, kann eine Berechnung der Rückseite der Hüllkurve auf der Grundlage des Triebwerkspegels und der Zünddauer durchgeführt werden.
@AJN und so klingt es, als wäre eine Antwort möglich. Aber es muss faktenbasiert und mit Quellen belegt sein.
Moderne Triebwerke haben feine Kontrollen. Während die GNC-Flugsteuerungssoftware typischerweise mit einer langsameren Rate läuft, befiehlt sie den Lagesteuerungs-Triebwerken, mit einem Bruchteil der Einschaltzeit zu zünden, typischerweise in ganzzahligen Inkrementen der minimalen Einschaltzeit des Triebwerks.
@Vince49 Bist du sicher, dass es hier schon keine "Leute wie APL oder SSG" gibt? Oder dass niemand hier jemanden kennt oder Informationen aus erster Hand von der Mission selbst hat? Space SE hat Tausende von Benutzern, die es regelmäßig besuchen. Warten wir ab, was passiert, bevor wir entscheiden: „Niemand kann antworten“.
@uhoh, ich kenne einige der Leute, die LORRI gebaut haben, aber ich war nicht direkt an diesem Instrument beteiligt. Haben Sie die Daten aus meinem Kommentar entfernt, die zu meiner Schlussfolgerung geführt haben? „Jetzt wirklich eine Weile weg. 'Wird später wiederkommen.
@ Vince49 cool! Es ist eine ganz andere Mission, aber wenn Sie jemanden kennen, der jemanden kennt, der jemanden kennt, der vielleicht die Antwort auf die Frage „ Warum besteht die Antenne mit hoher Verstärkung von TESS aus gewelltem SCHWARZEM Stoff und nicht aus Metall?“ kennt. bitte machen sie darauf aufmerksam. Es ist mir ein echtes Rätsel!
Ich poste einen Kommentar erneut, in dem ich sagte: "Ich glaube nicht, dass eine faktenbasierte Antwort möglich ist (ohne mit Leuten wie APL oder SSG zu sprechen)". Irgendwie gingen die Tatsachen, auf die ich diese Schlussfolgerung stützte, verloren. Diese sind: Das IFOV (Instantaneous Field of View) eines Pixels des LORRI-Bildgebers beträgt 4,94 µrad, die Driftrate des Raumfahrzeugs im Beobachtungsmodus beträgt ±34 µrad/s und die gespeicherte Auflösung des Driftwissens beträgt 7,5 µrad/s. Für ein über 30 Sekunden integriertes Bild mit maximaler räumlicher Auflösung müsste die Gesamtdrift relativ zu 4,94 &mgr;rad klein sein. Abgesehen von blindem Glück sehe ich nicht, wie es getan werden könnte.
@uhoh TESS wurde von Northrop-Grumman entworfen, gebaut und betrieben. Ich kenne dort niemanden.
@ Vince49, selbst wenn es Drift gab, könnte man nicht einfach Bildstapel von 60 0,5-Sekunden-Belichtungen anstelle einer einzelnen 30-Sekunden-Belichtung durchführen?
@AJN- Weltraumteleskope tun dies oft für einen höheren Dynamikbereich. Ich bin mir nicht sicher, ob LORRI in der Lage war, so viele Bilder schnell zu puffern, aber wenn dies der Fall wäre, wäre das gelöst!
@AJN Ich glaube, das ist eine realistische Möglichkeit.

Antworten (1)

Der LORRI-Wikipedia-Artikel zitiert dazu die folgenden zwei Quellen:

Letzteres ist der wahrscheinliche Ursprung:

Das Team von New Horizons hat LORRI nun ermöglicht, Bilder mit Belichtungszeiten von 30 Sekunden aufzunehmen. [...]. Zuvor hatten die dunkelsten Objekte, die sie zuverlässig erkennen konnten, eine visuelle Größe von etwa 20, aber die längere Belichtung drückt diese auf 21.

LONG-RANGE RECONNAISSANCE IMAGER AUF NEUEN HORIZONTEN, Cheng et al. (2008) sagt:

LORRI verfügt über einen 4 × 4-Pixel-Binning-Modus , für den seine Grenzgrößenanforderung V>17 bei einer Einzelbelichtung von 9,9 Sekunden beträgt . Dieser 4 × 4-Pixel-Binning-Modus wird verwendet, um nach dem Ziel-KBO zu suchen und beim Anflug eine optische Navigation durchzuführen. Für die KBO-Suche ist ein spezieller Raumfahrzeugführungsmodus verfügbar, in dem das Raumfahrzeug das Ziel innerhalb der 4 × 4-Pixel-Ausrichtungstoleranz für 10-Sekunden-Belichtungen hält . [Betonung hinzugefügt]

Das Papier erwähnt später:

Im Allgemeinen sind Belichtungszeiten von 50 bis 200 Millisekunden typisch für LORRI, obwohl die maximale Belichtungszeit 29,9 Sekunden beträgt . [Betonung hinzugefügt]

Vielleicht war die Fähigkeit also schon immer da? Gerade jetzt wurde es "aktiviert", dh eingeschaltet ?

In beiden Fällen gibt das gleiche Papier auch das Pixel-Sichtfeld (IFOV) mit 4,94 Mikroradian (vertikal/horizontal, nicht diagonal) an. Das bedeutet, dass das 4x4-Binning „Super-Pixel“ einen IFOV von ~20 Mikroradiant hat . Die Spezifikationen des regulären/normalen 3-Achsen-Lagekontrollsystems sind (gemäß The New Horizons Spacecraft, Fountain et al. ):

Die Steueralgorithmen müssen die Lage des Weltraumfahrzeugs innerhalb von ±24 µrad (3σ) und die Rotationsgeschwindigkeit des Weltraumfahrzeugs innerhalb von ±34 µrad/s (3σ) halten. [Betonung hinzugefügt]

Das sieht in etwa so aus:

Pixeldiagramm

Wo das Gitter die einzelnen Pixel darstellt, das rote Quadrat das 4x4-Binning-Pixel und die blauen Kreise den normalen (3-Achsen) zulässigen Ausrichtungsfehler des Raumfahrzeugs.

Dies ist offensichtlich nicht gut genug, um dunkle Objekte abzubilden, daher der oben erwähnte Spezialmodus, von dem ich vermute, dass er nur die Totzonen im Lageregler absenkt. Es gibt jedoch auch Probleme mit einer zu genauen Fluglage des Raumfahrzeugs; ein weiterer Hinweis von Cheng et al. :

Für die optische Navigation muss LORRI in der Lage sein, einen Stern der visuellen Größe V = 11,5 bei SNR > 7 in einer einzigen 100-ms-Belichtung mit voller Breite bei halbem Maximum (FWHM) > 1 Pixel abzubilden . Es ist nicht wünschenswert, dass ein zu großer Bruchteil der Energie von einer Punktquelle auf ein einzelnes Pixel abgebildet wird , da Sternbilder zu unterabgetastet werden. [Betonung hinzugefügt]

( Was es wert ist, ist der Abschnitt zwischen diesen Zitaten die erste zitierte Passage von Cheng et al. oben )

Bei 40 AE von der Sonne entfernt wird LORRI voraussichtlich in der Lage sein, ein Objekt mit 50 km Durchmesser , einer Albedo von 0,04 und einem Phasenwinkel von 25° aus einer Entfernung von 0,35 AU mehr als 40 Tage vor dem Auftreffen auf das Objekt zu erkennen . [Betonung hinzugefügt]

Ich weiß nicht, ob/wie das Undersampling-Problem im 4x4-Pixel-Binning-Modus zutrifft, aber das im letzten Zitat beschriebene Test- Kuiper-Gürtel-Objekt hat einen Winkeldurchmesser von ~ 1 Mikroradiant, weniger als ein einzelnes Pixel:

Testen Sie die KBO-Größe

Wie also wird die Erhöhung der Zeigegenauigkeit erst jetzt erreicht?

Ich denke, es kommt, etwas kontraintuitiv, von der reduzierten Effizienz des Antriebssystems.

New Horizons verwendet ein Blowdown-Antriebssystem, das durch eine Verringerung des Zufuhr-/Tankdrucks gekennzeichnet ist, wenn Treibmittel verwendet wird, siehe Abbildung 3 aus THE USE OF THE AEROJET MR-103H THRUSTER ON THE NEW HORIZONS MISSION TO PLUTO, Stratton (2004) ( danke Kommentarbereich):

New Horizons Blowdown-Druck

Dies entspricht einer Abnahme des minimalen Impulsbits ( Abbildung 6, Stratton (2004) ):

minimales Impulsbit

Und in Bezug auf die Winkelgeschwindigkeitsänderung von einem einzelnen Triebwerkspaarpuls (Min-Impuls-Bit) haben Cheng et al. sagt (danke Kommentare):

Diese Zahlen verbessern (sinken), wenn der Zufuhrdruck des Antriebssystems des Weltraumfahrzeugs abnimmt.

Schließlich gibt der Artikel der Planetary Society (vom Januar 2018) den Kraftstoffstand an:

Von den 75 Kilogramm Treibstoff, mit denen sie gestartet sind, bleiben 21 Kilogramm übrig. Weitere 12 oder so werden für den Abschluss der erweiterten Mission aufgewendet, sodass etwa 9 für eine mögliche zweite Missionsverlängerung übrig bleiben.

Antworten:

Die Verringerung des minimalen Impulsbits um etwa 30 % (durch die Verwendung von Treibmitteln) senkt die minimale Winkelgeschwindigkeitsänderung des Raumfahrzeugs auf ein Niveau, das 30-Sekunden-Belichtungen im "speziellen Raumfahrzeug-Führungsmodus" kombiniert mit 4x4-Pixel-Binning erlaubt.

Faszinierende ausführliche Antwort! +n!Wir müssen separat fragen, was genau der "spezielle Raumfahrzeug-Führungsmodus" ist.
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