Würde eine Flugbahnänderung eines Voyager-Raumfahrzeugs erkannt?

Würde das Ingenieurteam hier auf der Erde es entdecken? Wie?

Hier gibt es zwei Probleme.

Angenommen, Voyager 2 (Voyager 1 bewegt sich schneller und ist weiter entfernt, sodass der Effekt auf Voyager 1 geringer ist als auf Voyager 2) hat einen lächerlich nahen Vorbeiflug an einem Objekt mit einer ähnlichen Größe und Masse wie Neptun gemacht. Ein solcher Vorbeiflug würde zu einem Delta-V von etwa 8,2 km/s führen . Angenommen, dieses Delta-V ist orthogonal zur Sichtlinie zur Erde (im schlimmsten Fall). Selbst dann würde es fast 41 Tage dauern , um aus der Strahlbreite der Antennen des Deep Space Network herauszufliegen. Bis heute erhält JPL täglich Daten von den Voyagern. Das gibt genügend Zeit, um die Geschwindigkeitsänderung zu bemerken. Es scheint, dass der Kontakt mit den Voyagern sogar angesichts eines lächerlich nahen Vorbeiflugs eines lächerlich großen Objekts fortgesetzt werden könnte.

Ein so lächerlich naher Vorbeiflug hätte jedoch einen anderen Effekt. Wir "sehen" die Voyager-Satelliten nicht. Wir empfangen stattdessen ihre Übertragungen. Die Fahrzeuge sind unsichtbar, wenn wir diese Übertragungen nicht empfangen können.

Das Problem ist, dass ein Vorbeiflug nicht nur die Geschwindigkeit des Satelliten verändert, sondern dank des Drehmomentgradienten der Schwerkraft auch die Ausrichtung und Rotationsgeschwindigkeit des Satelliten. Das ist im Falle eines geplanten Vorbeiflugs in Ordnung. Im Falle eines ungeplanten Vorbeiflugs ist es nicht so gut, wenn das Fahrzeug nur über begrenzten Treibstoff verfügt, um eine ungeplante Rotation auszugleichen, und über begrenzte Intelligenz, um sich so zu orientieren, dass die Antenne zurück zur Erde zeigt.

Die einzige Downlink-Fähigkeit, die Voyagern derzeit zur Verfügung steht, ist die X-Band-Übertragung mit einer Strahlbreite von 0,5 Grad. Selbst eine kleine ungeplante Änderung der Voyager-Haltung bedeutet, dass wir auf der Erde diese Voyager nicht sehen konnten, zumindest nicht, bis die Voyager herausgefunden hat, wohin sie zeigt, und dies korrigiert hat. Eine Änderung der Einstellungsrate ist ein noch größeres Problem. Die Voyager haben eine sehr begrenzte Menge an verbleibendem Treibstoff für die Lagekontrolle. Während diese begrenzte Kraftstoffmenge mehr als genug ist, um bis 2025 zu halten, vorausgesetzt, dass die Fahrzeuge durch leeren Raum fliegen, ist es eine ganz andere Frage, ob es ausreicht, um ein unerwartet großes Drehmoment des Schwerkraftgradienten zu korrigieren.

Position und Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs werden von der Erde aus bestimmt: Wir richten eine Antenne auf den Punkt aus, an dem wir das Raumfahrzeug erwarten, und wir versuchen, sein Funksignal zu empfangen. Die Antennenposition, die das stärkste Signal liefert, gibt einen Kurs an.

Um die Entfernung zu bestimmen, senden wir ein Signal an das Raumschiff und warten auf die Antwort.

Sie sehen das Problem: Eine unerwartete Änderung der Flugbahn bedeutet, dass sich das Raumschiff nicht mehr in der Position befindet, die wir erwarten. Wir richten die Antenne in die falsche Richtung und finden das Raumschiff nicht.

Eine Suche ist möglich (Antenne langsam über den Himmel schwenken), würde aber sehr lange dauern.

Es gibt verschiedene Techniken, um die Geschwindigkeit und Position eines Raumfahrzeugs zu messen. Erstens kann die Entfernung von der Erde durch die Umlaufzeit eines Signals gemessen werden. Wenn die Zeit bekannt ist, die das Raumfahrzeug zwischen dem Empfang eines Signals und der Rücksendung benötigt, kann die Entfernung sehr genau bestimmt werden. Aus zwei Abstandsmessungen kann man die Geschwindigkeit des Fahrzeugs berechnen. Dies ist die Geschwindigkeit, mit der es sich von der Erde entfernt, nicht die Gesamtgeschwindigkeit. Es gibt eine zweite Methode, um diese Geschwindigkeit zu berechnen, indem man die Frequenz des empfangenen Signals beobachtet: Je schneller sich das Raumfahrzeug von der Erde entfernt, desto niedriger wird die Frequenz (siehe Doppler-Verschiebung). Diese Messungen können eine nahezu beliebige Genauigkeit haben, die nur durch die Beobachtungsdauer begrenzt ist. Ein gutes Beispiel ist die Beobachtung von Sonden beim Vorbeiflug an der Erde, deren Geschwindigkeit gemessen wurdeweniger als 1 mm/s Genauigkeit .

Die genaue Position im Raum ist dagegen schwer zu messen. Wie Hobbes schrieb, kann man eine Richtantenne verwenden und einen Scan durchführen, um die beste Position zu finden. Aber selbst die 70-Meter-Antennen des Deep Space Network haben eine Strahlbreite von 0,1 Grad. Wir können davon ausgehen, dass wir durch wiederholte Messungen und Interpolation mit dieser Antenne die Richtung des Raumfahrzeugs mit einer Genauigkeit von 0,01 Grad bestimmen können. Im Fall von Voyager One, 130 AE von der Erde entfernt, ergibt dies einen Positionsfehler von 3 Millionen Kilometern. Dieser große Öffnungswinkel des von der Antenne gesendeten Strahls hat jedoch auch den Vorteil, dass das Raumfahrzeug aufgrund einer unerwarteten Änderung der Flugbahn nicht einfach aus dem von der Übertragung abgedeckten Raum verschwinden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Geschwindigkeitsänderungen und Entfernungen von der Erde sehr genau bestimmt werden können, die absolute Position in lateralen Koordinaten ist eine viel kniffligere Aufgabe und es ist schwierig, hier Änderungen zu finden.

Zusätzlich zu den erwähnten "Roundtrip"- und "Antennenziel"-Daten, die gut für grobe Messungen sind (nicht sehr grob, aber nicht genau submetergenau), gibt es eine Möglichkeit, die Position jedes Sendeobjekts zu triangulieren.

Richten Sie drei Antennen auf verschiedene Orte der Welt mit präzise synchronisierten Timern auf Voyager aus. Nehmen Sie die ankommende Welle auf und zeichnen Sie das Timing eines wichtigen Punkts genau auf.

Die X-Band-Wellenlänge beträgt etwa 3 cm. Die Messung der Geschwindigkeit ist ganz einfach, berechnen Sie die Abweichung von dieser Wellenlänge, die durch "Rotverschiebung" verursacht wird. Wenn Sie jedoch die Phase der Welle vergleichen - die Ankunftszeiten eines bestimmten Punkts davon -, können Sie die Position des Fahrzeugs mit extremer Genauigkeit triangulieren, viel besser als die Schätzung der "Signalstärke".