Wie können Raumfahrzeuge berührungslos von der Erde aus navigieren?

Mein Verständnis ist, dass sich Sonden innerhalb des Sonnensystems hauptsächlich auf erdbasierte Tracking-Netzwerke und Ephemeridendaten verlassen, um zu navigieren. Kommen sie ihrem Ziel ganz nah, können sie sich optional auch per visuellem Tracking positionieren. Aber wie würden Raumfahrzeuge, z. B. solche auf extrasolaren Reisen, navigieren, ohne dass die Erde in Reichweite ist, um sie mit Positionsinformationen zu füttern? Sternennavigation der "alten Schule"?

Antworten (2)

Hier gibt es zwei Probleme:

  • Wo bin ich (und was ist mein Geschwindigkeitsvektor in einem interessierenden Inertialsystem)? ( Navigation ) ( das fragst du wohl )
  • Fliege ich Hals über Kopf oder umgekehrt (und wie schnell drehe ich mich)? ( Einstellungsbestimmung )

Zur Navigation :

Die vorherrschende Denkweise betrachtet Röntgenpulsare als den Hauptweg des Fortschritts. Dies nennt sich XNAV (Röntgenpulsar-basierte Navigation und Zeitbestimmung).

Das zugrundeliegende Prinzip dabei ist die Stabilität von Millisekundenpulsaren, die im Röntgenspektrum emittieren. Eine Kombination von Pulszählungen von bekannten MSPs wird in Pseudoentfernungen transformiert und in einem Filter wie jedes andere TDOA-(Multilaterations-)Problem gelöst. Bitte beachten Sie, dass dies schwieriger und zeitaufwändiger ist als die Navigation mit GPS, bei der von Satelliten übertragene Pseudozufallssequenzen die eindeutige Positionsbestimmung erleichtern (Pulsare senden überall die gleichen Impulse aus).

NICER: Eine Batterie von Röntgendetektoren, die zur Installation auf der ISS geplant ist

Eine künstlerische Wiedergabe von NICER

Bildnachweis: NASA.

Verweise:

  • 2012 – Pulsarnavigation und Röntgenkommunikationsdemonstrationen mit der NICER - Nutzlast auf der ISS http://hdl.handle.net/2060/20120016975

  • 1981 – Navigation mit Röntgenpulsaren NTRS Doc.ID 19810018591 Chester, TJ, Butman, SA

Derzeit sind etwa ein Dutzend Röntgenpulsare bekannt, die starke stabile Pulse mit Perioden von 0,7 bis etwa 1000 s aussenden. Durch Vergleichen der Ankunftszeiten dieser Pulse an einem Raumfahrzeug und an der Erde (über einen die Erde umkreisenden Satelliten) kann eine dreidimensionale Position des Raumfahrzeugs bestimmt werden. Ein Tag Daten von einem kleinen Onboard-Röntgendetektor ergibt eine dreidimensionale Position mit einer Genauigkeit von etwa 150 km. Diese Genauigkeit ist unabhängig von der Entfernung des Raumfahrzeugs von der Erde. Gegenwärtige Techniken zum Bestimmen der zwei anderen Raumfahrzeugkoordinaten als der Entfernung messen Winkel und verschlechtern sich daher mit zunehmender Entfernung des Raumfahrzeugs. Somit wird die Navigation unter Verwendung von Röntgenpulsaren den gegenwärtigen Techniken bei der Messung dieser beiden Koordinaten für ausreichend weit entfernte Raumfahrzeuge immer überlegen sein. Momentan, Der Break-Even-Punkt liegt in der Nähe der Jupiterbahn. Der Krebspulsar kann auch verwendet werden, um eine transversale Koordinate mit einer Genauigkeit von ungefähr 20 km zu erhalten.

Zur Lagebestimmung reichen und werden in absehbarer Zeit Sterntracker ausreichen.

Zugehörige Multimedia:

@Chris - "sich positionieren" ist mehrdeutig. Ich möchte nicht nur wissen, wo ich bin, sondern auch, wohin ich die Düsen richten soll, wenn ich mit dem Einsetzen in die Marsumlaufbahn beginnen muss.
Ich würde argumentieren, dass dies nicht der Fall ist, aber "navigieren" (im Titel) ist sicherlich nicht zweideutig.
Wie wäre es mit "wenn ich bin"? Angenommen, Ihnen ist ein "unvorhersehbares Ereignis" passiert, das Sie und Ihre Instrumente während einer interstellaren Reise ausschaltet. Wie würden Sie Ihre Zeit relativ zu Ihrem Ausgangspunkt bestimmen und mit welcher Genauigkeit wäre das möglich? Nehmen wir an, Sie können es nicht allein aufgrund Ihrer Einstellung berechnen (dh Ihr Weg könnte sich ohne Ihr Wissen aus welchen Gründen auch immer geändert haben).
@TildalWave - XNAV (...und Zeitbestimmung). Wenn bei einer interstellaren Reise etwas mit den (überflüssigen, diversen) Instrumenten schief geht, ist die Reise wahrscheinlich zum Scheitern verurteilt.
Eine Analogie zwischen XNAV und GPS könnte hier zum Verständnis hilfreich sein ... sie sind im Grunde genommen das gleiche Prinzip.
@DeerHunter - Ich habe eher darüber nachgedacht, ob es im nicht allzu fernen Universum (z. B. in unserer Milchstraßengalaxie) beobachtbare und zeitvorhersagbare Phänomene gibt, mit denen die Zeit mit einiger Genauigkeit bestimmt werden könnte, sagen wir um mindestens zu Jahren in der Präzision?
@Chris - nicht genau. Pulsare verwenden keine optimierten Pseudozufallssequenzen, daher die Schwierigkeiten beim Filtern.
@TildalWave - das wäre eine Sternbewegung in der nächsten Nähe von Sol.
@DeerHunter klar. Ich habe nur angedeutet, dass es eine gute Analogie für jeden wäre, der mit dem Thema nicht vertraut ist.
Vielen Dank. Das ist faszinierendes Zeug. "Durch den Vergleich der Ankunftszeiten dieser Impulse bei einem Raumfahrzeug und bei der Erde (über einen erdumkreisenden Satelliten)": Erfordert dies einen Kontakt mit der Erde? Oder soll das Schiff eine Bibliothek mit voraussichtlichen Ankunftszeiten auf der Erde mitführen?
@coleopterist - einen separaten Röntgendetektor an einem anderen Ort (in LEO oder auf dem Mond usw.) zu haben, hilft immer (in Bezug auf die Genauigkeit). Sie können es jedoch selbst tun. Und: Es gibt keine Bibliothek. Die Pulsare werden als feststehend angenommen, und ihre Pulse folgen in gleichen Abständen.
Es gibt noch eine weitere wichtige Sache, die nicht oft erwähnt wird, nämlich wie spät es ist. Es ist wichtig zu wissen, wo sich die Erde befindet, damit Sie wissen, wohin Sie Ihre Schüssel richten müssen. Irgendwelche Gedanken zu diesem Thema?
@PearsonArtPhoto - Sie zählen einfach Impulse UND behalten eine schöne Atomuhr. NIST arbeitet übrigens an der Miniaturisierung von Atomuhren...
@DeerHunter: Und wenn Ihr Computer neu startet? Dann was?
@PearsonArtPhoto - halten Sie den Zähler von Ihrem Flugcomputer isoliert :) Einfach, robust, abgeschirmt, redundant.

Dies ist derzeit ein ungelöstes Problem. Zusätzlich zu den von Deer Hunter beschriebenen Röntgenpulsaren finanzierte die NASA eine Studie zur Verwendung von Exoplaneten als Quelle für Navigationsdaten :

Dieser Vorschlag stellt einen innovativen Star-Tracker-Hardwaresensor vor, der eine autonome Berechnung der Umlaufbahn eines Raumfahrzeugs durch den Einsatz von Doppler-Spektroskopie und astrometrischen Techniken ermöglicht. Der vorgeschlagene fortschrittliche Sternentracker bietet durch die Verwendung von spezialisierten Referenzsternen, die Exoplaneten-Begleiter haben, an Bord Selbstbestimmungsfähigkeiten für die Umlaufbahn im tiefen Weltraum. Die Bewegung von Exoplaneten um das Baryzentrum eines Referenzsterns liefert ein stabiles, gut vorhersagbares natürliches Signalmuster. Ein fortschrittlicher Exoplaneten-Sterntracker verbessert die Missionsfähigkeiten für zukünftige bemannte und unbemannte Raumfahrzeuge und reduziert die Tracking-Anforderungen und -Ressourcen des Deep Space Network (DSN).

Das ist aber noch lange nicht fertig:

Geschätzter Technology Readiness Level (TRL) bei Vertragsbeginn und Vertragsende:
Beginn: 2
Ende: 3 (d. h. es befindet sich in der Phase „Recherche zum Nachweis der Machbarkeit“)

Wie können Raumfahrzeuge berührungslos von der Erde aus navigieren?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v