Как (черт возьми) одни только двигатели могут стабилизировать New Horizons достаточно хорошо, чтобы делать 30-секундные выдержки с большим увеличением, чтобы увидеть объекты +21 м?

Википедия Long Range Reconnaissance Imager говорит, что LORRI — это:

...телескоп на борту космического корабля New Horizons для получения изображений. LORRI использовался для получения изображений Юпитера, его спутников, Плутона и его спутников, а также Аррокота с момента его запуска в 2006 году. LORRI представляет собой телескоп-рефлектор конструкции Ричи-Кретьена с диаметром главного зеркала 20,8 см (8,2 дюйма). . LORRI имеет узкое поле зрения, менее трети градуса. Изображения сделаны с помощью ПЗС-матрицы с разрешением 1024 × 1024 пикселей. LORRI — это телескопическая панхроматическая камера, интегрированная с космическим кораблем New Horizons, и это один из семи основных научных инструментов на зонде. LORRI не имеет движущихся частей и движется за счет перемещения всего космического корабля New Horizons.

Позже в дизайне говорится:

Конструкция может делать снимки при очень низком уровне освещенности, необходимом для миссии, в том числе при уровне освещенности 1/900 от уровня Земли, когда она находится у Плутона. Для столкновения с Аррокотом было увеличено самое длительное время экспозиции (до десяти секунд для пролета Плутона). Это было сделано командой после пролета Плутона, чтобы можно было делать снимки при еще более низком уровне освещенности.

После пролета Плутона стало возможным время экспозиции не менее 30 секунд, что также было полезно для получения разведывательных изображений и получения изображений с величиной до 21.

LORRI наводится путем перемещения всего космического корабля, что ограничивает время экспозиции. Космический корабль не имеет реактивных колес и стабилизируется двигателями.

Как уже упоминалось, для наблюдения звезды с величиной +21 в 20,8-сантиметровый телескоп потребуется длительное время выдержки. Я удивлен, что одни только двигатели могут так хорошо стабилизировать этот космический корабль и, следовательно, этот телескоп без использования какой-либо другой системы управления ориентацией.

В отличие от камер с веерным сканированием, популярных на некоторых космических кораблях для дальнего космоса, которые используют медленное вращение космического корабля для сканирования своего одномерного компакт-диска по полю с целью получения изображений, LORRI является «обычной» двухмерной ПЗС-камерой, поэтому во время экспозиции требуется постоянное наведение.

Вопрос: Как (черт возьми) одни только двигатели могут стабилизировать New Horizons достаточно хорошо, чтобы делать 30-секундные выдержки с большим увеличением, чтобы увидеть +21 зв. объекты?

Есть ли какие-то особые хитрости для этого? Возможно, запускать противоположные двигатели в течение очень немного разного времени, а не пытаться запускать только один в течение очень короткого промежутка времени? Существуют ли какие-либо другие источники крутящего момента, которые используются для точного обнуления любого вращения во время выдержки до 30 секунд?

Из Википедии [Новые горизонты; Движение и управление ориентацией] ( https://en.m.wikipedia.org/wiki/New_Horizons ):

На New Horizons установлено 16 подруливающих устройств: четыре на 4,4 Н (1,0 фунт-сила) и двенадцать на 0,9 Н (0,2 фунта-силы), подключенных к дублирующим ветвям. Большие двигатели используются в основном для корректировки траектории, а маленькие... используются в основном для управления ориентацией.

Какой будет приемлемая угловая скорость, при которой можно сделать снимок с выдержкой 30 с?
Учитывая, что управляющие двигатели имеют усилие всего 0,9 Н (в некоторых источниках указывается 0,8 Н) и могут срабатывать всего за 5 миллисекунд (общий импульс 5 мНсек!), они подходят для некоторых смехотворно точных настроек.
@AJN Астрометрия, такая как измерения параллакса, может быть выполнена с точностью до нескольких процентов от 1 пикселя, но это короткие выдержки для ярких ближайших звезд. На самом деле Бетельгейзе слишком яркая для измерения параллакса! Для нормального изображения тусклых астероидов (для которых, скорее всего, подойдет магнитное поле +21) ~ 1 пикселя может быть достаточно, хотя, если он собирается нацелиться на один из них, вам понадобится максимальная астрометрическая точность, которую вы можете получить, я полагаю.
Если угловой разброс, относящийся к пикселю (длительность более 30 с), можно преобразовать в угловой сдвиг, относящийся к космическому кораблю, можно выполнить расчет обратной границы на основе уровня двигателя и продолжительности запуска.
@AJN, и поэтому кажется, что ответ возможен. Но это должно быть основано на фактах и ​​подтверждено источниками.
Современные подруливающие устройства имеют точное управление. В то время как программное обеспечение управления полетом GNC обычно работает с медленной скоростью, оно дает команду двигателям управления ориентацией запускаться с дробным временем включения, обычно с целым приращением минимального времени включения двигателя.
@ Vince49 Вы уверены, что здесь уже нет «людей вроде APL или SSG»? Или что никто здесь не знает никого там или не имеет никакой информации из первых рук от самой миссии? Space SE регулярно посещают тысячи пользователей. Давайте подождем и посмотрим, что произойдет, прежде чем решить, что «никто не может ответить».
@uhoh, я знаю некоторых людей, которые построили LORRI, но я не имел прямого отношения к этому инструменту. Вы удалили данные, которые были в моем комментарии, которые привели к моему заключению? — Уеду на некоторое время по-настоящему. 'Проверю позже.
@Vince49 круто! Это совершенно другая миссия, но если вы знаете кого-то, кто знает кого-то, кто знает кого-то, кто может знать ответ на вопрос, почему антенна TESS с высоким коэффициентом усиления сделана из волнистой ЧЕРНОЙ ткани, а не из металла? Пожалуйста, обратите на это их внимание. Для меня это настоящая загадка!
Я публикую комментарий, в котором я сказал: «Я не думаю, что ответ, основанный на фактах, возможен (без общения с людьми как APL или SSG)». Каким-то образом факты, на которых я основывал этот вывод, были утеряны. К ним относятся: IFOV (мгновенное поле зрения) одного пикселя формирователя изображения LORRI составляет 4,94 мкрад, скорость дрейфа космического корабля в режиме наблюдения составляет ±34 мкрад/сек, а разрешение хранимых данных о дрейфе составляет 7,5 мкрад/сек. Для изображения с максимальным пространственным разрешением, интегрированного за 30 с, общий дрейф должен быть небольшим по сравнению с 4,94 мкрад. Кроме слепого везения, я не вижу, как это могло быть сделано.
@uhoh TESS был спроектирован, построен и эксплуатируется компанией Northrop-Grumman. Я никого там не знаю.
@ Vince49, даже если бы был дрейф, нельзя ли просто сложить изображения из 60 экспозиций по 0,5 с вместо одной экспозиции 30 с?
Космические телескопы @AJN часто делают это для более высокого динамического диапазона, я не уверен, что у LORRI была возможность быстрой буферизации такого количества изображений, но если это так, то это решает эту проблему!
@AJN Я считаю, что это реальная возможность.

Ответы (1)

Статья Википедии LORRI ссылается на следующие два источника:

Последнее является вероятным происхождением:

Команда New Horizons теперь позволила LORRI делать снимки с выдержкой 30 секунд. [...]. Раньше самые тусклые объекты, которые они могли надежно обнаружить, имели визуальную величину около 20, но более длительная выдержка снижает ее до 21.

ФОРМИРОВАНИЕ ДАЛЬНЕЙ РАЗВЕДКИ НА НОВЫХ ГОРИЗОНТАХ, Cheng et al. (2008) говорит:

LORRI имеет режим биннинга 4×4 пикселей , для которого его предельное требование величины составляет V>17 при одной экспозиции 9,9 с . Этот режим биннинга пикселей 4×4 будет использоваться для поиска цели KBO и выполнения оптической навигации при заходе на посадку. Для поиска KBO доступен специальный режим наведения космического корабля, в котором космический корабль будет удерживать цель в пределах допуска наведения 4×4 пикселя в течение 10-секундных экспозиций . [курсив добавлен]

Позже в газете упоминается:

В целом для LORRI типичны экспозиции от 50 до 200 миллисекунд, хотя максимальное время экспозиции составляет 29,9 секунды . [курсив добавлен]

Так что, возможно, возможности были всегда? Только что он был "включен", т.е. включен ?

В любом случае, та же бумага также дает поле зрения пикселя (IFOV) как 4,94 микрорадиана (по вертикали / горизонтали, а не по диагонали). Это означает, что «суперпиксель» 4x4 имеет IFOV ~ 20 микрорадиан . Спецификации обычной / нормальной 3-осевой системы управления ориентацией (согласно космическому кораблю New Horizons, Fountain и др. ):

Алгоритмы управления должны поддерживать ориентацию космического корабля в пределах ±24 мкрад (3σ) и скорость вращения космического корабля в пределах ±34 мкрад/с (3σ). [курсив добавлен]

Это выглядит примерно так:

Пиксельная диаграмма

Где сетка представляет отдельные пиксели, красный квадрат представляет собой сгруппированный пиксель 4x4, а синие кружки — нормальную (по трем осям) допустимую ошибку наведения космического корабля.

Этого явно недостаточно для визуализации тусклых объектов, отсюда и вышеупомянутый специальный режим, который, как я подозреваю, просто снижает мертвые зоны в контроллере ориентации. Однако есть и проблемы со слишком точной ориентацией космического корабля; еще одно замечание от Cheng et al. :

Для оптической навигации LORRI требуется, чтобы иметь возможность отображать звезду визуальной величины V = 11,5 с SNR> 7 за одну экспозицию 100 мс с полной шириной на половине максимума (FWHM)> 1 пикселя . Нежелательно, чтобы слишком большая доля энергии от точечного источника отображалась на одном пикселе , потому что изображения звезд становятся слишком неполными. [курсив добавлен]

( для чего стоит раздел между этими цитатами - это первый процитированный отрывок из Ченга и др. выше )

Прогнозируется, что на расстоянии 40 а.е. от Солнца LORRI сможет обнаружить объект диаметром 50 км , с альбедо 0,04 и фазовым углом 25 ° с расстояния 0,35 а.е. , более чем за 40 дней до того, как объект будет встречен. [курсив добавлен]

Я не знаю, применима ли и как проблема недостаточной выборки в режиме биннинга 4x4 пикселей, но тестовый объект пояса Койпера, описанный в последней цитате, имеет угловой диаметр ~ 1 микрорадиан, меньше одного пикселя:

тестовый размер КБО

Так как же достигается повышение точности наведения только сейчас?

Я думаю, что это происходит из-за несколько нелогичного снижения эффективности двигательной установки.

New Horizons использует пропульсивную систему с продувкой, которая характеризуется снижением давления в питании/баке по мере использования топлива, как показано на рисунке 3 из ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ AEROJET MR- 103H В МИСИИ «НОВЫЕ ГОРИЗОНЫ» НА ПЛУТОН, Stratton (2004) ( раздел комментариев спасибо):

Давление продувки New Horizons

Это соответствует уменьшению минимального бита импульса ( Рисунок 6, Stratton (2004) ):

бит минимального импульса

Что касается изменения угловой скорости от одного импульса пары двигателей (минимальный бит импульса), Cheng et al. говорит (спасибо комментарии):

Эти цифры улучшаются (уменьшаются) по мере уменьшения давления питания двигательной установки космического корабля.

Наконец, в статье Планетарного общества (от января 2018 г.) указаны уровни топлива:

Из 75 кг топлива, с которым они стартовали, остался 21 кг. Еще 12 или около того будут потрачены на завершение расширенной миссии, оставив около 9 для возможного расширения второй миссии.

Отвечать:

Уменьшение минимального бита импульса примерно на 30 % (из-за использования топлива) снижает минимальное изменение угловой скорости космического корабля до уровня, который допускает 30-секундные экспозиции в «специальном режиме наведения космического корабля» в сочетании с биннингом 4x4 пикселей.

Увлекательный подробный ответ! +n!О том, что же такое "специальный режим наведения космического корабля", придется спросить отдельно.
Как (черт возьми) одни только двигатели могут стабилизировать New Horizons достаточно хорошо, чтобы делать 30-секундные выдержки с большим увеличением, чтобы увидеть объекты +21 м?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v