Alternative zur GPS-Navigation für vertikale Landungen, insbesondere auf anderen Planeten

Es gibt ein paar Fragen hier, ich werde versuchen, sie alle zu beantworten.

F1: Ist GPS nur unterhalb von GEO-Umlaufbahnen gültig?

A1: Größtenteils ja, weil die Übertragung von GPS-Satelliten auf die Erde gerichtet ist. (Kleine technische Korrektur: GPS-Satelliten befinden sich tatsächlich nicht in geosynchronen Umlaufbahnen. Sie befinden sich in MEO- Umlaufbahnen, die nur auf halbem Weg zu GEO in der Höhe liegen.)

Die GPS-Sender verwenden jedoch ziemlich breite Strahlen, die von der anderen Seite des Planeten auf ihren Seitenkeulen zu hören sind (siehe Bild). Diese Übertragungen können und wurden zur Lokalisierung auf Raumfahrzeugen über der GPS-Konstellation verwendet (dies wird manchmal als "Inside-Out-Lösung" bezeichnet). Die GPS-Positionsberechnung muss nach meinem Verständnis geändert werden, funktioniert aber ansonsten gut und hat tatsächlich eine ziemlich gute Genauigkeit (10 Sekunden Meter). Gehen Sie hier , um die wesentlichen Details zu lesen, wie dies funktioniert.

Q2: Was sind Alternativen zur GPS-basierten Navigation über GEO?

A2: Für den erdnahen Betrieb funktioniert die obige GPS-Lösung immer noch, aber der Verlust der Signalstärke wird diese Option nach einer bestimmten Entfernung von der Erde beenden.

Für Freiraumoperationen verwenden Raumfahrzeuge im Allgemeinen Ratenbereich und Winkel, um die Navigation durchzuführen. Hier können Sie mehr über die Range-Rate-Navigation der ESA lesen .

Die Entfernungsratennavigation kann langsam sein, da Sie 1) ein Signal an das Raumfahrzeug senden und darauf warten müssen, dass es zurückkehrt, um die Flugzeit zu erhalten. 2) Berechnen Sie daraus die Position und die Rate (Geschwindigkeit) basierend auf der gemessenen Doppler-Verschiebung und schließlich 3) senden Sie diese Position zurück an das Raumfahrzeug. Diese Methode funktioniert gut für alles, wo die Dynamik im Laufe von Stunden stattfindet (im Grunde jede Umlaufbahn). Es bricht zusammen, wenn Sie versuchen, auf einem anderen außerirdischen Körper wie dem Mond oder dem Mars zu landen.

In diesen Fällen wird eine sogenannte Gelände-relative Navigation verwendet. Es verwendet Computervision, um sich selbst zu lokalisieren, basierend darauf, was eine Kamera sieht, im Vergleich zu dem, was Karten dort anzeigen. TRN ist das, was Neugier früher auf dem Mars landete

... was ist die Alternative zur GPS-Navigation zum Zweck der vertikalen Landung, insbesondere auf anderen Planeten?

Geländeerkennung und -abbildung, und wenn es einen Landeplatz gibt, einige Funk- und optische Baken und möglicherweise sogar ein großes "X" oder eine andere reflektierende (optische) oder topografische (Radar-)Markierung, wenn jemand eine Firma mit einem "X" im Namen hat habe dort oben schon ein "X markiert die Stelle" gesetzt.

Optisch

Terrain-Relative Navigation der NASA erklärt die vertikale Landung der Mars 2020-Mission , zu der der Perseverance-Rover und der Mars-Helikopter Ingenuity gehören

Funktionsweise der geländebezogenen Navigation

• Orbiter erstellen eine Karte des Landeplatzes, einschließlich bekannter Gefahren.
• Der Rover speichert diese Karte in seinem Computer-"Gehirn".
• Der Rover steigt an seinem Fallschirm ab und fotografiert die sich schnell nähernde Oberfläche.
• Um herauszufinden, wohin er fährt, vergleicht der Rover schnell die Orientierungspunkte, die er auf den Bildern „sieht“, mit seiner Bordkarte.
• Wenn er auf gefährliches Gelände mit einem Durchmesser von bis zu 300 Metern zusteuert (etwa so groß wie zwei professionelle Baseballfelder nebeneinander), kann der Rover die Richtung ändern und sich selbst auf sichereren Boden umlenken.

Diese Antwort enthält viel mehr Informationen darüber, wie und warum die Bildverarbeitung in Raumfahrzeugen verwendet wird. , aber hier ist das NASA-GIF

oben: Darstellung der geländebezogenen Navigation. „ Terrain-Relative Navigation hilft uns, sicher auf dem Mars zu landen – besonders wenn das Land darunter voller Gefahren wie steile Hänge und große Felsen ist! Von hier aus .

Siehe Wie schwebte, drehte und senkte sich Chang'e-4 so elegant? (Video) mehr dazu!

Radar

Radar kann für die Geländeerkennung hilfreich sein und funktioniert nachts, aber das Problem ist, dass Sie mit einer Wellenlänge, die so viel länger als optisch ist, nicht sehr einfach direkt abbilden können. Stattdessen wird normalerweise seitlich blickendes Radar verwendet , insbesondere in Kombination mit Techniken mit synthetischer Apertur . Da Sie im Allgemeinen zur Seite schauen müssen, um das Gelände mit Radar abzubilden, kann dies am hilfreichsten sein, wenn Sie noch etwas Vorwärtsbewegung haben, um nach einem Landeplatz zu suchen, aber der endgültige vertikale Abstieg kann nicht wirklich zur Seite gerichtetes Radar verwenden.

Weitere Informationen hierzu finden Sie unter Wie kann ICEYE-X1 2D-SAR-Bilder mit hoher Auflösung in „zig Sekunden“ erfassen? und diese Antwort auf Detaillierte Radaraufnahmen von Tiangong-1; Wie haben sie das gemacht? woraus die Äquivalenz zum Seitenblick verstanden wird

... Die Bewegung des Ziels liefert die Grundlinie.

Baken usw.

Wenn ein Landeplatz im Voraus vorbereitet wurde, könnte er mit Blinklichtern oder anderen optischen Leuchtfeuern und möglicherweise auch mit Funkfeuern ausgestattet werden. Frühe Entwicklungen bei der Verwendung von Radio werden in Arthur C. Clarkes ausgezeichnetem Glide Path beschrieben .

Ein Beispiel dafür, wie dies aus dem Orbit aussehen könnte, finden Sie in diesem Video unter Was ist diese riesige, rote, blinkende Lichtstruktur auf der Erde, die von der ISS aus gesehen wird?

Von YouTube Progress-Startzeitraffer vom Weltraum aus gesehen

Trägheit

Diese Antwort auf Wie wird InSight während des endgültigen Abstiegs Himmelsrichtungen kennen, um mit der richtigen Ausrichtung zu landen? beginnt mit

Durch die Integration von Trägheitsmessungen, initialisiert von der letzten Sternverfolgung etwa 20 oder 30 Minuten zuvor.

und obwohl sich Frage und Antwort auf die Lage beziehen, liefert ein Trägheitsleitsystem einige Informationen über die aktuelle 3D-Position und -Geschwindigkeit relativ zur Oberfläche. In Kombination mit und ständig kalibriert gegen die oben beschriebene geländebezogene Navigation können Trägheitsmessungen wichtige Informationen liefern, insbesondere wenn Abgase eine große Menge Staub aufwirbeln, wenn sich das Fahrzeug während der vertikalen Landephase der Oberfläche nähert.

Radar- und Gammastrahlen für eine sanfte Landung

Das Timing von Radar-Pings kann die Entfernung zur Oberfläche mit ziemlich hoher Genauigkeit angeben, und dies könnte für ein sanftes Aufsetzen wichtig sein. Ich habe keine Beweise, aber ich würde erwarten, dass die Falcon-9-Landungen Radar für die Nähe zur Landefläche als zusätzliches Feedback für die Triebwerksdrosselung verwenden könnten, da sie eine sanfte Landung benötigen, um einen Beinbruch zu vermeiden .

• Wie viel Kraft kann ein Falcon 9-Landebein bewältigen (derzeit unbeantwortet)

Einige Raumfahrzeuge verwenden rückgestreute Gammastrahlen von einer radioaktiven Quelle, um im letzten Bruchteil einer Sekunde automatisch einen Rückantrieb auszulösen, um die Landung für Menschen sanfter zu gestalten. Mehr dazu siehe:

• Wie funktioniert ein Gammastrahlen-Höhenmesser? Was für ein Sensor wird verwendet?
• Sojus-Landeplatzerkennung
• Wie erkennt die New Shepard Crew Capsule die Nähe, um kurz vor dem Aufprall einen Rückantrieb auszulösen? (derzeit unbeantwortet)

Als Referenz:

GIF von der Landung von Sojus MS-08

Sie haben also im Wesentlichen 2 Fragen:

1.) vertikale Landung ... 2.) Navigation außerhalb des Einflussbereichs der Erde

Beginnen wir mit 1.) : Typische außerirdische Lander sind mit Radar-Höhenmessern ausgestattet:

• ExoMars 2016

Ein Doppler-Radar-Höhenmesser auf dem ExoMars 2016 Schiaparelli Entry, Descent und Landing Demonstrator Module...

• Mars-Pfadfinder

Der Radar-Höhenmesser des Landers...

• Apollo

... MONDMODUL-LANDERADAR ...

• Auch Apoll

Der Apollo LM hatte einen Radarhöhenmesser

Der Radar-Höhenmesser kann Ihnen eine ziemlich genaue Höhe über dem Boden UND dank Doppler auch die Geschwindigkeit geben, die Sie relativ zum Boden haben.

Die 2.) ist nicht so einfach: Navigation außerhalb des Einflussbereichs der Erde:

Typischerweise kann man seine Fluglage recht gut mit Sternentrackern bestimmen. Grundsätzlich Kameras, die auf bestimmte Sterne blicken und Ihnen sagen, in welcher Richtung sie sich befinden.

Aufgrund der typischen langen Dauer von außerirdischen Weltraummissionen ist die Trägheitsnavigation nicht die erste Wahl, sodass Sie Isaak Newton vertrauen:

Es ist üblich, erdgestütztes Radar und Teleskope zu verwenden, um so viele Messungen wie möglich über das Raumfahrzeug zu sammeln, dann fügt man sie in eine Software zur Bestimmung der Umlaufbahn ein und das Ergebnis ist eine berechnete/bestimmte Umlaufbahn. In den meisten Fällen können Sie auch die Unsicherheit der ermittelten Umlaufbahn berechnen. Dieser Vorgang wird regelmäßig wiederholt, damit Sie die Position berechnen können.

Lasertelemetrie, Sternnavigation von einem gelandeten Teleskop