Как мы можем отследить точное местоположение космического корабля, который находится в миллионах или миллиардах миль от нас?

Как мы можем отследить точное местоположение космического корабля, который находится в миллионах или миллиардах миль от нас?

Мы не отслеживаем точное местоположение космического корабля. Всегда есть ошибки в измерениях, ошибки в поведении космического корабля при маневрах, ошибки в наших моделях Солнечной системы. Точность (совершенство) недостижима. Гораздо лучше моделировать эти ошибки, чем делать вид, что их не существует.

Какие вещи мы изучаем для целей отслеживания?

Это во многом зависит от объекта интереса. Ключевое различие заключается в том, является ли интересующий объект совместной или несотрудничающей целью. Кооперативная цель так или иначе активно сотрудничает в определении траектории объекта. Луна, Солнце, планеты, астероиды и т. д. явно не сотрудничают. Все интересующие объекты в космосе не взаимодействовали до середины 20-го века, и единственными доступными измерениями были угловое положение объекта (азимут и высота), которое видит наблюдатель на поверхности Земли.

Ситуация резко изменилась во второй половине 20-го века, когда человечество разработало радар и начало отправлять в космос совместные цели. Радар позволяет измерять дальность до нескольких ближайших объектов в космосе, где «несколько близких» означает несколько астрономических единиц или около того. Одни только эти измерения дальности достаточно точны, чтобы измерения направления (азимут и высота) имели меньшее значение.

Совместные цели, которые передают сигнал, отправленный с Земли, обратно на Землю, резко улучшают дальность этого и без того очень точного измерения дальности и позволяют еще более точное измерение скорости дальности (скорость, с которой расстояние до цели изменяется во времени). ).

За одним исключением, измерения того, где в небе находится совместная цель, настолько неточны по сравнению с дальностью и скоростью дальности, что эти измерения практически бесполезны. Это единственное исключение — дельта-дифференциальный односторонний ранжирование, или сокращенно ΔDOR. Это предполагает одновременные наблюдения за зондом дальнего космоса двумя или более наземными станциями, разнесенными на тысячи километров. Интерферометрические методы обеспечивают точность углового положения наблюдаемого объекта на уровне нанорадианов.

Как именно мы прогнозируем?

Даже при измерениях дальности, скорости дальности и ΔDOR один набор измерений предоставляет информацию только о четырех измерениях состояния объекта. Кроме того, поскольку ΔDOR требует одновременного использования двух наземных станций, это довольно дорого . Во многих случаях в любой момент времени имеется только одно (диапазон) или два наблюдения (диапазон и частота дальности). Будь то одно, два или четыре измерения, этого недостаточно, потому что объект в космосе имеет шесть поступательных степеней свободы. Вывод состояния орбиты из одного набора измерений - проблема недостаточно определенная.

Что сделано, так это комбинирование нескольких наборов измерений, собранных в течение долгого времени. Это сверхдетерминированная проблема. Каждое из этих измерений имеет связанную с ним ошибку, распространение от одного измерения к другому вызывает дополнительные ошибки (шум процесса), а неточное поведение зонда, когда он выполняет корректирующий прожиг или регулирует свое положение, вызывает еще другие ошибки (шум установки). .

Для описания методов, необходимых для объединения этих нескольких измерений и учета шума измерений, технологического шума и заводского шума, потребовалось бы несколько книг. Если вы хотите изучить это самостоятельно, вам необходимо понять методы статистической фильтрации. Один набор ключевых слов, представляющих интерес, - это «точное определение орбиты» или сокращенно POD.

Хотя этот сайт не дает очень подробного ответа, он дает относительно хорошее представление о том, как это достигается:

В JPL есть пять групп, которые вместе управляют навигацией.

• Группа Эфемерид

  Рассчитывает положение астрономических объектов в предсказанное время.
  
  

• Аналитики по определению орбиты

  Изучите радиопередачи и изображения с камер, чтобы определить текущее местоположение космического корабля.
  
  

• Дизайнеры маневров

  Планируйте маневры, чтобы удерживать космический корабль на правильной траектории полета.
  
  

• Группа радиометрического слежения

  Оценивает методы получения и повышения точности радиоизмерений скорости, местоположения и угла космического корабля относительно Земли.
  
  

• Дизайнеры траекторий

  Постройте наиболее эффективный путь для космического корабля.
  
  

Так что это действительно командная работа с участием больших групп экспертов, использующих несколько различных методов для определения местоположения спутника.