Тело на поверхности Земли можно легко определить, зная координаты GPS, при условии, что тело находится на прямом пути или на 4 спутниках GPS. Но как позиционируется спутник (скажем, Maven или индийский Mangalyaan), который летит к Марсу, или его положение рассчитано, чтобы направить его по правильному пути? Я предполагаю, что спутники GPS обращены к Земле, чтобы не тратить энергию и ресурсы, отворачиваясь от Земли. Но как позиционировать спутник, находящийся вне досягаемости спутников GPS, и его положение рассчитывается с необходимой точностью?
Знание и поддержание состояния космического корабля (его положение, скорость, ориентация и скорость ориентации) - это сотрудничество между наземными диспетчерами и самим космическим кораблем.
Системы наведения, навигации и управления транспортными средствами
Некоторые транспортные средства отслеживают как состояние поступательного движения (где они находятся), так и состояние вращения (куда они указывают). Другие просто отслеживают состояние вращения; определение поступательного состояния осуществляется людьми на Земле.
Программное обеспечение, которое делает это, является фильтром Калмана. Фильтр Калмана поддерживает представление о состоянии космического корабля и неопределенности в этом состоянии. Фильтр использует две основные операции для продвижения состояния и неопределенности во времени, распространения и обновления. Шаг распространения продвигает состояние и его неопределенность в соответствии с набором дифференциальных уравнений (например, F=ma). Этап обновления уточняет состояние по показаниям датчика, которые отражают состояние.
Некоторые датчики, такие как акселерометры, предоставляют информацию, используемую на этапе распространения, а не на этапе обновления. Ошибка положения неограниченно возрастает, когда положение распространяется только на основе воспринятых ускорений. Другое название этого — «мертвый расчет». Измерить положение непросто. Решение проблемы счисления пути было основным мотивом для разработки GPS.
Другие датчики, такие как датчики звездного неба, предоставляют информацию, которую можно использовать на этапе обновления. Это означает, что отношение гораздо легче отслеживать в пространстве, чем положение.
Еще одна вещь, которая затрудняет распространение положения, заключается в том, что акселерометры воспринимают только негравитационные силы. Они не могут ощущать ускорение из-за гравитации. Это означает, что инерциальная навигационная система космического корабля, которая оценивает положение (не все это делают), должна моделировать гравитацию в программном обеспечении полета. Это непросто для аппарата на орбите вокруг скалистого тела. Земля, Луна и Марс имеют несферические гравитационные поля. В дополнение к модели несферической природы гравитационного поля программное обеспечение для полета также должно иметь модель вращения тела, вокруг которого оно вращается.
В то время как посадочные модули должны знать, где они находятся, с высокой степенью точности, орбитальные аппараты часто этого не делают. Многие орбитальные аппараты не используют свою инерциальную навигационную систему для определения местоположения. Состояние поступательного движения распространяется только в той мере, в какой это необходимо для выполнения маневров коррекции траектории по команде с земли.
Во время самых ранних миссий на Марс эти корректирующие ожоги были в форме синхронизированных ожогов. Транспортное средство направило себя в заданную ориентацию, а затем запустило свои двигатели на заданное время, при этом горение началось в заданное время. Была большая проблема с подходом записи по времени: они были не очень точными. Имея пяти-десятипроцентную разницу в заданном и фактическом был очень распространенным явлением, даже с хорошо откалиброванным двигателем.
В настоящее время эти маневры вместо этого управляются с точки зрения командной выполняться в заданное время начала записи. Транспортное средство использует свои акселерометры для измерения накопленного и останавливает запись, когда она достигает желаемого значения. Это гораздо более простая задача для полетного программного обеспечения, чем полноценная позиционная инерциальная навигация. Программному обеспечению полета не нужно знать, где находится транспортное средство или даже с какой скоростью оно движется. Ему просто нужно знать, насколько изменилась его скорость по показаниям акселерометров.
Обработка земли
Во время крейсерской фазы миссии бортовая система обычно не отслеживает положение. Оценка и поддержание поступательного состояния транспортного средства — это работа людей на земле, которые удаленно контролируют и управляют транспортным средством. И у НАСА, и у Индии есть сети дальнего космоса, которые связываются с их межпланетными кораблями. Одной из задач этих сетей дальнего космоса является оценка орбит транспортных средств.
Задержка во времени между передачей сигнала транспортному средству и получением ответа от транспортного средства дает хорошую оценку расстояния (дальности). Доплеровский сдвиг в принятом сигнале дает хорошую оценку скорости изменения расстояния (скорости дальности).
Вы можете подумать, что место, куда должны быть направлены эти наземные антенны для связи с космическим кораблем, также даст ключ к пониманию того, где находится космический корабль. Это не так, по крайней мере, ни с одной наземной станцией. Космический корабль был бы настолько далеко от курса, что его нельзя было бы использовать, если бы антенна должна была быть направлена в направлении, значительно отличающемся от ожидаемого. Единственными полезными измерениями с одной наземной станции являются дальность и скорость дальности.
Угловые измерения возможны в короткие промежутки времени, когда КА одновременно находится в поле зрения двух наземных станций. В течение этих интервалов НАСА использует методы интерферометрии с очень длинной базой (РСДБ), чтобы создать то, что эквивалентно одной антенне, имеющей тысячи километров в поперечнике. Эти РСДБ-измерения обеспечивают угловые измерения в дополнение к измерениям дальности/скорости дальности, обеспечиваемым одной антенной.
Смысл проведения этих измерений заключается в том, что аппарат никогда не находится точно на той орбите, на которой он должен находиться. Орбита космического корабля может быть повторно оценена после сбора ряда этих наземных измерений состояния космического корабля. Этот процесс чем-то похож на фильтр Калмана, используемый в программном обеспечении полета космического корабля. Фильтр Калмана обрабатывает измерения один раз, а затем отбрасывает их. Пакетные фильтры наименьших квадратов, используемые наземными диспетчерами, обрабатывают все данные одновременно, а затем могут повторно использовать их для дальнейшего уточнения оценки орбиты.
Поскольку космический корабль никогда не находится на точно правильной орбите, наземные диспетчеры время от времени дают команду космическому кораблю выполнить ранее упомянутые маневры коррекции траектории, чтобы вернуть космический корабль на курс к цели.
Что касается относительно редких миссий на другие планеты, я бы предположил, что спутники почти постоянно отслеживаются. В любом случае мы можем довольно легко предсказать будущее положение любого объекта на орбите вокруг центрального тела с очень высокой точностью за короткий период времени. Итак, предполагая, что проводятся регулярные проверки для устранения неконсервативных возмущений орбиты, мы можем просто использовать астродинамику.
РЕДАКТИРОВАТЬ:
Интересно, что некоторые из неконсервативных возмущений будут практически не возбуждать в межпланетном пространстве (например, сопротивление), другие могут быть увеличены (солнечное давление может быть больше вне магнитного поля Земли, но меньше дальше от Солнца).
РЕДАКТИРОВАТЬ 2:
Что ж, звездные трекеры фотографируют космос и пытаются сопоставить их со звездной картой; по сути, говоря, что если я сфотографировал эту область неба, я должен смотреть в эту сторону. Солнечные датчики намного проще, мы достаточно уверены в солнечном потоке на любом заданном расстоянии от солнца, поэтому, если мы на Марсе, мы знаем, какая часть космического корабля указывает на солнце, основываясь на яркости. У вас также есть датчики горизонта, они смотрят на планету и находят очертания планеты на основе разницы между темным фоном космоса и поверхностью планеты. Есть также гироскопы, которые можно использовать для измерения вашего отношения.
Лорен Пехтель
Уве