Woher kennen wir die genaue Position des JWST?

Woher kennt die NASA die genaue Position des James-Webb-Weltraumteleskops zu einem bestimmten Zeitpunkt?

Jetzt, da es gestartet ist, kennt die NASA zu keinem Zeitpunkt die genaue Position des JWST. Die drei Sigma-Positions- und Geschwindigkeitsfehler bei MCC-2 wurden auf etwa 29 km bzw. 21 cm/s geschätzt. Das ist nicht gerade "exakt".

Da sie jetzt bei MCC2 sind, wie bestimmen sie die genaue Zeit und Kraft, die erforderlich sind, um in die L2-Halo-Umlaufbahn einzudringen?

Glücklicherweise muss die NASA die genaue Zeit und Kraft nicht kennen. Das Projekt wäre Toast, wenn sie es täten. (Jedes Projekt, das "exakte" Position und Geschwindigkeit benötigt, wäre ein Toast.) Was die NASA nicht will, ist, das Raumfahrzeug so stark zu schieben, dass eine nachfolgende Korrekturverbrennung erfordern würde, dass sich das Fahrzeug so weit dreht, dass die kalte Seite wird der Sonne zugewandt. Andererseits ist ein leichtes Unterschwingen in Ordnung. Ich vermute, das JWST Flight Dynamics Team wird auf Nummer sicher gehen und auf ein leichtes Unterschwingen abzielen. (Oder war wahrscheinlich auf Nummer sicher gegangen, da MCC-2 jetzt durchgeführt wurde.)

Ist es eine Frage der guten altmodischen Koppelnavigation?

TL;DR synopsis
Absolut nicht. Sich auf die Koppelnavigation und nichts anderes zu verlassen, ist ein guter Weg, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug bald tot ist. Ich sehe keine Hinweise darauf, dass der JWST überhaupt Koppelnavigation verwendet.

Details
Ich sehe keine Beweise dafür, dass das JWST seinen Übersetzungszustand selbst navigiert. Stattdessen sehe ich Papiere aus dem Jahr 2003, in denen versucht wird festzustellen, ob der JWST überhaupt Beschleunigungsmesser benötigt. Wenn das Raumfahrzeug Beschleunigungsmesser hat, würde dies nur dazu dienen, zu bestimmen, wann ein Delta-V-Manöver beendet werden soll. Insbesondere wären Beschleunigungsmesser nicht erforderlich, wenn die JWST Secondary Combustion Augmented Thrusters (SCAT-Triebwerke) so präzise sind, dass der Fehler zwischen dem vorhergesagten und dem tatsächlichen Delta V innerhalb von 1,5 % liegt, aber absolut erforderlich wären, wenn der Fehler über 5 % liegt (drei Sigma).

Ich habe noch kein Triebwerk gesehen, dessen vorhergesagtes tatsächliches Delta V weniger als 1,5% beträgt. Ich habe viele gesehen, wo vorhergesagt - das tatsächliche Delta V übersteigt 5%. Ich vermute, dass der JWST Beschleunigungsmesser hat, aber das ist nur eine Vermutung. Die Literatur zu den antriebsbezogenen Onboard-Sensoren JWST ist eher spärlich. Es gibt viel Literatur über Lage- und Lageratensensoren, aber fast keine über Sensoren im Zusammenhang mit Antrieb.

Auf jeden Fall sehe ich keine Literatur, die sich über die eingebauten translationalen Navigationsfähigkeiten des JWST kräht. Wenn das JWST Koppelnavigation verwendet, natürlich ergänzt durch gelegentliche Korrekturen der NASA, würde Papier auf Papier über diese neue Fähigkeit gejubelt werden.

YAGNI (You Aren't Gonna Need It) und KISS (Keep It Short and Simple) stehlen einen Begriff aus der Software und gelten in Scharen für die Fähigkeiten eines Raumfahrzeugs. Die meisten Raumfahrzeuge wissen nicht, wo sie sich befinden, weil sie dies nicht müssen und weil Führungs-, Navigations- und Steuerungssoftware oft die komplexeste und teuerste Software auf Fahrzeugen ist, die sie benötigen.

Das Space Shuttle und die Software der Internationalen Raumstation sind extreme Beispiele. Wenn man all die Leute zählt, die Flugsoftware geschrieben haben, Unit-Tests dieser Flugsoftware geschrieben haben, Simulationscode geschrieben haben, um diese Flugsoftware weiter zu testen, Leute, die die Testumgebung gepflegt haben, Tester, die die Tests durchgeführt haben, und Evaluatoren, die an allem herumstocherten, Die Shuttle- und ISS-Flugsoftware wurde in der schwindelerregenden Geschwindigkeit von einer Codezeile pro Person und Woche geschrieben. Ich vermute, dass die JWST-Flugsoftware mit der typischeren Rate von einer Codezeile pro Person und Tag oder vielleicht sogar pro Stunde geschrieben wurde. Eine Zeile Code pro Person und Stunde wäre phänomenal.

Selbst bei dieser phänomenalen Rate von einer Codezeile pro Person und Stunde würden YAGNI und KISS vorschreiben, dass die vielen tausend Zeilen mathematisch komplexen, fehleranfälligen und rechenintensiven Flugsoftwarecodes eliminiert werden, die erforderlich sind, damit ein Raumschiff selbst durch Tote navigieren kann Reckoning ist eine gute Idee, wenn diese Fähigkeit nicht benötigt wird. Und es wird im Fall des JWST nicht benötigt.

Was der JWST mit sehr hoher Präzision, mit sehr hoher Genauigkeit und mit sehr hoher Gleichmäßigkeit tun muss, ist zu wissen, wohin er sich selbst ausrichten und sein Teleskop in Bezug auf die "Fixsterne" ausrichten soll. Es gibt jede Menge Literatur zu dieser JWST-Fähigkeit. Das JWST-Team schwärmt von diesen Fähigkeiten, und dieses Jubeln ist sehr berechtigt.

Was der JWST nicht tun muss, ist zu wissen, wo er sich befindet. Zu wissen, wo sich das JWST befindet, ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Deep Space Network (DSN) der NASA, das vom Jet Propulsion Laboratory verwaltet wird, und dem JWST Flight Dynamics Team, das vom Goddard Space Flight Center verwaltet und dort gehostet wird. Das DSN misst die Reichweite (Entfernung zum Raumfahrzeug) und die Reichweitenrate (zeitliche Ableitung der Reichweite) äußerst genau. Zusätzliche präzise Messungen können durchgeführt werden, wenn mehrere DSN-Bodenstationen gleichzeitig mit dem Raumfahrzeug kommunizieren können.

Das DSN stellt diese präzisen Messungen dem JWST Flight Dynamics Team zur Verfügung, das für die Bestimmung des JWST-Zustands (Position und Geschwindigkeit) und für die Planung von Kurskorrekturen, Manövern zur Aufrechterhaltung der Umlaufbahn und Manöver zum Ablassen des Impulses verantwortlich ist. Das ist das Gegenteil von Dead Reckoning. Techniken zur präzisen Umlaufbahnbestimmung gehen auf Gauß zurück, und die Techniken haben sich seit der Zeit von Gauß deutlich verbessert. Die Techniken von Gauss umfassten nur Azimut- und Höhenmessungen; Reichweite und Reichweitenrate waren nicht verfügbar. Entfernung und Entfernungsrate sind für Raumfahrzeuge jenseits der erdnahen Umlaufbahn so genau, dass moderne Präzisionstechniken zur Bestimmung der Umlaufbahn häufig Azimut- und Höhenmessungen als übermäßig verrauschte Parameter ignorieren.

Referenzen
Anne Long et al., „Navigation Concepts for the James Webb Space Telescope“, 2003 Flight Mechanics Symposium (2003)

Sungpil Yoon et al., „James Webb Space Telescope Orbit Determination Analysis“ (2014).

J. Levi et al., „The JWST Flight Dynamics Operations Concept and Flight Dynamics Ground System“, 2020 IEEE Aerospace Conference (2020).

Die Reichweite wird per Funk gemessen. Die Basisstation auf der Erde sendet ein verschlüsseltes Signal, das vom Satelliten zurückgesendet wird. Die Verzögerungszeit ist ein Maß für die Entfernung und kann am Boden genau gemessen werden. Es ist nicht ganz so einfach, da das zurückgesendete Signal auf einer anderen Frequenz in einem festen Verhältnis gesendet wird (Signal wird geteilt) und die Bodenstation auf der Erde ist und sich mit der Erdrotation bewegt, plus für kurze Zeit, während sich das Signal durch die Erde bewegt Atmosphäre mit einer etwas anderen Geschwindigkeit im Vergleich zum Weltraum.

Die beste Beschreibung, die ich gesehen habe, wie dies gemacht wird (obwohl eine ältere technische Version in Apollo verwendet wird), ist in dem YouTube-Video Apollo Comms Part 1 ab etwa 03:45. Eine weitere Beschreibung (ziemlich technisch) findet sich in JWST Sequential Ranging .

Die Relativgeschwindigkeit wird durch den Doppler-Effekt gemessen . Das zurückgesendete Signal hat im Satelliten ein festes Frequenzverhältnis (wie vorgesehen), wird aber durch den Dopplereffekt verschoben. Und wieder bewegt sich die Bodenstation mit der Erdrotation, aber das ist ein bekannter Faktor, der kompensiert wird.

Die Richtung zum Satelliten wird in Bezug auf die "festen" Sterne mit optischen (selten) und Radioteleskopen gemessen. Da sowohl Richtung als auch Entfernung bekannt sind, kann die "Position" berechnet werden.

--- weitere Ergänzungen zur Antwort ---

Was die Koppelnavigation betrifft: Sie wird irgendwie verwendet, basiert jedoch auf den Messungen. Entfernung, relative Geschwindigkeit (im Vergleich zur Erde) und relative Richtung können alle mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Da die Newton-"Gesetze" der Bewegung bekannt sind, kann dies verwendet werden, um den Zustandsvektor (3 x Position, 3 x Bewegung) zwischen den Messungen zu aktualisieren, eine Art Koppelnavigation, aber aktualisiert / korrigiert, wenn neue Daten verfügbar sind. Der Vergleich des Zustandsvektors mit der gewünschten Trajektorie wird verwendet, um Verbrennungen durch bodengestützte Computer zu berechnen. Dem Raumfahrzeug wird dann befohlen, sich in Bezug auf bekannte Fixsterne (verwendete Sternverfolgungssysteme) zu orientieren und dann Triebwerk X für Y Sekunden laufen zu lassen. Das Raumfahrzeug als solches muss seine Position nicht kennen, da alle Berechnungen auf der Erde durchgeführt werden. Da die Verbrennungen nie ganz genau sind, nach dem Brennen wird erneut eine Periode detaillierter Messungen durchgeführt, um den maximalen Fehler des Zustandsvektors zu aktualisieren. In der Mitte des Fluges können die Messungen seltener und/oder mit Methoden mit höheren maximalen Fehlern durchgeführt werden.

Eine Anekdote, die darauf hinweist, wie der DSN die Reichweite zum Weltraum misst.

In den 1980/90er Jahren habe ich als Ingenieur an Signalgeneratoren gearbeitet. Die NASA hatte vor einigen Jahren eine Reihe unserer Signalgeneratoren gekauft, um sie bei der Satellitenortung durch Trägerphasentriangulation zu verwenden, und wollte eine Nachbestellung.

Wir hatten die Herstellung des Modells eingestellt, das sie letztes Mal gekauft hatten, und boten daher ein „verbessertes“ Modell an. Dies hatte ein besseres 1-kHz-Offset-Phasenrauschen (wichtig für die Kommunikationsanwendungen, auf die wir hauptsächlich abzielten), indem ein interner 10-MHz-Quarzoszillator eingebaut wurde, der mit dem externen Standard phasenstarr ist, um das Standardrauschen bei diesem Offset zu bereinigen.

Sie bewerteten diesen neuen Signalgenerator und verwarfen ihn. Die DC-Drift im Phasendetektor, der den Rauschbereinigungsoszillator verriegelte, bedeutete, dass sie eine schlechtere Verfolgung der Ausgangsträgerphase zwischen mehreren Generatoren aufwiesen, die auf denselben Referenzstandard verriegelt waren.

Nachdem wir einen Schalter eingeführt hatten, um den neuen Filter zu umgehen, kauften sie 24. Das zeigt, dass die Genauigkeit der Trägerphase für diese spezielle Methode tatsächlich wichtig ist.