Am 22. Juni 2019 wird JPL die Genauigkeit einer Atomuhr an Bord starten und testen. Die häufig gestellten Fragen besagen, dass es die interplanetare Navigation verbessern wird, da für das Schiff zur Bestimmung seiner Position jetzt ein Einwegsignal ausreicht, anstatt zu messen, wie lange es dauert, bis ein Funksignal von der Erde zum Schiff und zurück geht. Die Halbierung einer mehrstündigen Dauer ist offensichtlich hilfreich.
Aber wie kann nur ein Signal den Standort des Schiffes bestimmen? Sagt das nicht nur aus, wie weit das Schiff von der Erde entfernt ist? Oder sind diese Uhren so genau, dass die Messung der Entfernungen des Schiffes zu, sagen wir, Arecibo, Australien, und Greenwich ausreicht, um seine Position während eines Einschusses in die Umlaufbahn von Enceladus zu triangulieren?
Aber wie kann nur ein Signal den Standort des Schiffes bestimmen? Sagt das nicht nur aus, wie weit das Schiff von der Erde entfernt ist?
tl;dr: Die Atomuhr erhöht die Genauigkeit der Messung und könnte sogar eine Einwegbahnbestimmung ermöglichen, aber die Navigation erfolgt immer noch mit einer Kombination aus Entfernung, Entfernungsrate, Delta-DOR und Berechnung von Gravitationseffekten durch numerische Integration, Ephemeriden des Sonnensystems und andere Kraftmodelle, die für die Flugbahn des Raumfahrzeugs relevant sind.
Die Navigation von Raumfahrzeugen im Weltraum erfolgt mit mehreren Werkzeugen. Drei der wichtigsten sind:
Die Reichweitenrate ist ein Maß für die Frequenzverschiebungen von Signalen, die von einem Ort auf der Erde ausgestrahlt und vom Raumfahrzeug empfangen werden (Reichweitenrate wie die Änderungsrate der Reichweite, ausgedrückt in Entfernungseinheiten dividiert durch eine Zeit, normalerweise km/s). Dies wird am häufigsten in einer Zwei-Wege-Weise durchgeführt, wobei das Raumfahrzeug das gleiche Signal auf frequenzkohärente Weise zurücksendet und auf der Erde empfängt. Eine Atomuhr ermöglicht Einweg-Entfernungsratenmessungen, da die Frequenz des an Bord des Raumfahrzeugs erzeugten Signals äußerst präzise ist und daher die Messung der Dopplerverschiebung hauptsächlich auf die Relativgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs im Vergleich zur Bodenstation zurückzuführen ist. anstatt auf eine schlechte Signalerzeugung an Bord des Raumfahrzeugs zurückzuführen zu sein. In ähnlicher Weise ermöglicht eine ausgezeichnete Borduhr dem Raumfahrzeug, die von der Bodenstation gesendeten Entfernungstöne genau zu unterscheiden: Dies bedeutet ein sehr genaues Ablesen der Flugzeitinformationen. Diese Ausgabe vom Oktober 2020Details, wie eine bordeigene Atomuhr bei der Bestimmung der Umlaufbahn hilft.
Eine Range-Rate-Messung wird oft mit einer Range-Messung kombiniert, bei der es sich um die Laufzeit eines Signals handelt. Die Kombination aus Entfernungs- und Entfernungsratenmessung wird in Radarsystemen oft als Delay-Doppler bezeichnet. Sie erhalten eine Entfernung aus der Verzögerung und eine Änderungsrate der Entfernung (eine 1-dimensionale Geschwindigkeit) aus der Doppler-Verschiebung.
Delta-DOR : ist eine Einwegmessung von Signalen, die von einem Raumfahrzeug ausgestrahlt und von zwei weit voneinander entfernten Bodenstationen im tiefen Weltraum auf der Erde empfangen werden, und die Differenz der Signalankunftszeiten wird genau gemessen (und zur Berechnung einer Peilung verwendet). Dies wird korrigiert, indem Informationen über die aktuellen Verzögerungen aufgrund der Erdatmosphäre verwendet werden, die durch gleichzeitiges Verfolgen (von jedem Bodenstandort) von Funksignalen von einem Quasar (innerhalb von 10 Grad derselben Richtung) erhalten werden.
Numerische Integration Bei der Navigation von Raumfahrzeugen würden Sie die beiden oben genannten Methoden plus extrem genaue Simulationen der Geschichte der Flugbahn des Raumfahrzeugs auf der Grundlage aller bekannten Kräfte, Gravitation und anderer, verwenden, um ein vollständiges Bild der Flugbahn des Raumfahrzeugs zu erstellen. Massen und Positionen aller großen Objekte des Sonnensystems existieren bereits als Ephemeriden und diese sind Eingaben für eine solche Berechnung.
So
Wie hilft eine Atomuhr an Bord bei der interplanetaren Navigation?
Die ausgezeichnete Antwort von @DavidHammen erklärt, wie eine Atomuhr an Bord eines Raumfahrzeugs es ermöglicht, die Entfernungsratenmessung in eine Richtung statt in zwei Richtungen durchzuführen. Ich empfehle Ihnen, die vollständige Antwort zu lesen, aber kurz gesagt, das Raumschiff sendet ein Signal, das mit Zeitinformationen von der Atomuhr codiert ist. Diese Signale werden auf der Erde empfangen und hier mit der bekannten Zeit verglichen, und die Differenz ergibt nach Korrektur relativistischer Effekte die Entfernung. Die Doppler-Verschiebung der Zeitsignale oder der Frequenz (wenn sie mit der Atomuhr synchronisiert ist) ergibt die Rate oder relative Geschwindigkeit.
Benutzer20636