Как космический корабль узнает, что он находится на орбите?

У космического корабля «Юнона» нет средств для прямого измерения и расчета того, что он находится на орбите. Он не отправил никакого такого подтверждающего сообщения. Все, что он отправил, это тон FSK, указывающий, что он выполнил действия, которые ему было приказано выполнить. После того, как космический корабль вернулся на Землю, он передал все записанные технические данные о событии, предоставив гораздо больше информации о том, как он выполнил действия, которые ему было приказано выполнить.

Космический корабль может определить свое положение, но это не дает никакой информации о его траектории. Единственный теоретический способ, которым «Юнона» могла бы самостоятельно определить, что он находится на орбите, — это использовать наружную камеру для периодического наблюдения за Юпитером после JOI и определения его положения относительно опорных звезд, сравнивая это с предсказанием того, что она увидит, если это было на орбите, а не нет. Однако разница между ними изначально невелика, поэтому определение может занять несколько часов или дней. Эта возможность была разработана в JPL под названием AutoNav , но Juno не использует ее.

Юнона могла сделать вывод, что он находится на орбите, интегрируя показания акселерометра. Но это не прямое определение орбиты.

Самым непосредственным способом узнать, что Юнона находится на орбите, была двусторонняя доплеровская сигнатура. Мы знали траекторию сближения Юноны с планетой и, исходя из этого, как будет выглядеть изменение доплеровского смещения сигнала Х-диапазона вдоль луча зрения на Землю при успешном выходе на орбиту. Затем мы могли бы искать эту подпись в режиме реального времени. Вот оно, вот оно.

Траектория «Юноны» была разработана таким образом, чтобы космический корабль находился в поле зрения Земли на протяжении всего горения. (Часто космический корабль уходит за планету, если смотреть с Земли, во время выхода на орбиту.)

Двусторонний допплер работает, отправляя очень точную частоту, полученную от атомных часов на Земле, на космический корабль, и космический корабль поворачивает эту частоту с когерентной фазой, где эта частота умножается на точное рациональное число (обычно 880/749). для нисходящего канала. Сигнал, полученный на Земле, соответствующим образом преобразуется и отсчитывается от тех же атомных часов, чтобы получить доплеровский сдвиг. Это позволяет измерять составляющую скорости космического корабля относительно Земли вдоль линии прямой видимости на Землю с точностью до нескольких миллиметров в секунду. Двусторонний допплер может выполняться только с несущей, поэтому по каналу не нужно передавать данные. Это позволяет поддерживать доплеровское слежение при относительно низком уровне сигнала от космического корабля.

Используя устройства определения ориентации (включая доплеровский сдвиг радиосигнала с Земли), он может определить ^* свое местоположение и скорость относительно Юпитера, и на основе этих данных, зная массу Юпитера, можно рассчитать траекторию. Если траектория образует петлю вокруг Юпитера - это орбита!

^{* фактическое определение производится на Земле, Юнона просто возвращает сигнал с Земли обратно, а от остальных своих приборов отправляет телеметрию.}

Сначала уточнение. Если настаивать на том, что «знание» требует самосознания и разума, то космический корабль «Юнона», конечно же, ничего не «знает». Вместо того, чтобы зацикливаться на глупости того, что означает «знание», лучше поискать альтернативный способ ответа на вопрос. Эта альтернатива: насколько сложным является бортовое компьютерное программное обеспечение Juno? Знало ли программное обеспечение космического корабля каким-то ограниченным образом, что оно действительно достигло орбиты?

Я создаю вики этого сообщества, потому что это не ответ. Правильный ответ найти очень сложно. (Насколько я могу судить, ни один из предложенных ответов не является правильным.) И JPL, и Lockheed Martin публикуют очень мало технических подробностей о внутренней работе своих транспортных средств, если вообще публикуют их. Системы наведения, навигации и управления машины, а также менеджеры миссий, по-видимому, имеют отметку о том, что она ограничена ITAR и является собственностью. Я рассмотрю два случая, в одном из которых аппарат не знает, что он находится на орбите Юпитера, а в другом — когда он там находится.

Один из способов, которым аппарат мог бы выполнить выход на орбиту автономно, состоял бы в том, чтобы сориентировать аппарат в заданной ориентации, запустить ракету и остановиться, когда дельта V достигнет значения (разница между заранее определенной желаемой дельтой V и накопленной измеренной дельтой V). ) достиг нуля. Предположим, что и заданная ориентация, и заданная желаемая дельта V были частью последовательности команд, отправленных на космический корабль с Земли. Если это так, то аппарат не знал, что находится на орбите. Все, что он знал, это то, что горение было завершено. Программное обеспечение для этого очень простое. Если простое программное обеспечение достаточно хорошо для выполнения работы, простое лучше.

Возможно, потребуется гораздо больше изощренности, если этого простого подхода будет недостаточно. Например, космическому кораблю может потребоваться более сложное программное обеспечение для наведения, навигации и управления, а также более сложное программное обеспечение для управления полетом. (По-видимому, у него довольно обширное программное обеспечение для обнаружения сбоев, изоляции и восстановления). В этой более сложной версии у диспетчера миссии вполне может быть режим на орбите, переход в который инициируется программным обеспечением GNC, оценивающим достижение желаемой орбиты. Хотя это не самоосознающее программное обеспечение, это программное обеспечение, которое знает, что аппарат действительно находится на орбите Юпитера.

Обратите внимание, что Juno управляется 200-мегагерцовым компьютером RAD750 со 128 мегабайтами памяти и 256 мегабайтами флэш-памяти. Это эквивалент недорогого персонального компьютера 1999 года. В этой довольно ограниченной системе не так много места для очень сложных функций.

Продолжительность выхода на орбиту контролировалась акселерометром на космическом корабле. Управление полетами знало скорость космического корабля при входе и желаемую скорость, необходимую для запланированной орбиты. Во время работы двигателя космический аппарат измеряет скорость его торможения во времени и, когда суммарное изменение скорости достигает необходимой цифры, выключает двигатель.

Подтверждающее сообщение в этом случае было отправлено, когда зонд завершил ввод, и управление полетом может подтвердить скорость с помощью доплеровского сдвига, как указано в других ответах здесь.

На самом деле зонд ничего не знает, если только ему не скажет об этом Земля. Его можно проверить, найдя его местоположение с Земли, отследив его путь и определив, действительно ли он находится на орбите. Это очень подробно объясняется в « Основах космического полета — навигации» . Суть в том, что они используют два метода: ранжирование, при котором посылается импульс, и на него немедленно реагируют, указывая расстояние; и доплеровский сдвиг, показывающий относительную скорость между космическим кораблем и Землей. Эти два, при достаточном количестве измерений, позволят определить орбиту объекта.

Следует отметить, что космический корабль умел делать сам по себе. Что он может сделать, так это определить изменение скорости, предполагая, что инструменты на борту правильно откалиброваны для этого. Это то, что искал космический корабль, или время горения, любое из которых позволило бы ему узнать, что он попал в правильное горение. Однако, если бы цель была неправильной, инструменты были неправильными или что-то подобное, прожиг мог бы не увенчаться успехом. Только измерения с Земли действительно могли дать системе понять, что она успешно провела захват.

Космический корабль Juno использует комбинацию методов для определения своего местоположения и траектории. Бортовые системы, известные как «звездные трекеры», помогают космическому кораблю определять его ориентацию в пространстве. В сочетании с данными о местоположении, полученными в результате анализа радиосигналов, проведенного на Земле, аппарат может «триангулировать» свое положение по траектории и рассчитать отклонения. Как только космический корабль узнает свою фактическую текущую траекторию, он может выполнять расчеты, чтобы определить, какие векторы тяги применять (используя различные двигатели) для достижения правильного курса. В данном случае это будет вывод на орбиту. Дополнительную информацию см. в этой статье .

Все дело в гироскопе. Если у вас плохо с физикой, возможно, вам придется немного поработать воображением :-)
Это довольно простой процесс, и все это делается автономно (должно быть: для сигнала требуется 48 минут). долететь до Юноны с Земли и, что неудивительно, столько же времени от Земли до Юноны, так что 48+48 = КАТАСТРОФ!!!).

1 - У вас есть гравитационная составляющая Юпитера. Он тянет к себе Юнону. Назовем это down-force;
2 - Чтобы избежать этого down-force, Юнона должна разогнаться вперед так быстро, что в конечном итоге она убежит, если он продолжит ускоряться;
3 - Гироскоп фактически определяет (считывает) это ускорение вниз и устанавливает направление движения ракет-движителей до тех forwardпор, пока ускорение вниз не станет равным нулю. Это называется свободным падением.

Эти передние ракеты нужно время от времени запускать (гироскоп устанавливает это - автономно), потому что, несмотря на то, что вы, возможно, слышали, существует трение (небольшое, но есть), которое замедлит скорость движения Юноны на орбите. , из-за атмосферы Юпитера.

Не путайте ускорение со скоростью.
Представьте себя в своей машине. Когда вы нажимаете на газ, вы ускоряетесь. Вы чувствуете давление спины на сиденье автомобиля. Когда вы достигаете желаемой скорости, вы перестаете ускоряться (больше нет обратного давления) и просто держите педаль газа нажатой достаточно, чтобы поддерживать эту скорость (для преодоления трения и прочего - но больше не ускорение).

Если у вас достаточно хорошее воображение, подумайте, что для того, чтобы идти, вам нужно наклониться вперед, чтобы начать падать. Чтобы не разбить лицо об пол, вы вытягиваете ногу вперед и увеличиваете скорость до тех пор, пока ваше ускорение не станет равным нулю, и вы не будете наслаждаться прогулкой по парку.

Хороший сайт о Юноне, с большим количеством видео и интересных фактов: http://spaceflight101.com/juno/juno-mission-trajectory-design/