Откуда мы знаем точное положение JWST?

Откуда НАСА знает точное положение космического телескопа Джеймса Уэбба в данный момент времени?

Теперь, когда он запущен, НАСА не знает точного положения JWST в любой момент времени. Ошибки положения и скорости по трем сигмам в ЦУП-2 оцениваются примерно в 29 км и 21 см/с соответственно. Это не совсем "точно".

Поскольку сейчас они добрались до MCC2, как они определяют точное время и силу, необходимые для выхода на гало-орбиту L2?

К счастью, НАСА не нужно знать точное время и силу. Проект был бы поджарен, если бы они это сделали. (Любой проект, который требует «точных» положения и скорости, будет провален.) Чего НАСА не хочет, так это толкать космический корабль так сильно, чтобы последующая коррекция потребовала, чтобы корабль вращался до такой степени, что холодная сторона становится обращенный к солнцу. С другой стороны, небольшой недолет — это нормально. Я подозреваю, что группа по динамике полета JWST ошибется из-за осторожности и нацелится на небольшой недолет. (Или, вероятно, ошибся из соображений предосторожности, поскольку MCC-2 уже был выполнен.)

Это вопрос старого доброго счета мертвых?

TL;DR синопсис
Абсолютно нет. Полагаться только на счисление пути и ни на что другое — это хороший способ гарантировать, что транспортное средство скоро выйдет из строя. Я не вижу никаких ссылок, указывающих на то, что JWST вообще использует счисление пути.

Подробности
Я не вижу никаких доказательств того, что JWST самостоятельно перемещается в своем трансляционном состоянии. Вместо этого я вижу документы, относящиеся к 2003 году, пытающиеся определить, нужны ли вообще JWST акселерометры. Если на космическом корабле есть акселерометры, то только для определения момента прекращения маневра дельта-V. В частности, акселерометры не понадобятся, если двигатели JWST с форсированным двигателем вторичного сгорания (двигатели SCAT) будут настолько точными, что ошибка между прогнозируемой и фактической дельтой V будет в пределах 1,5%, но они абсолютно необходимы, если ошибка превышает 5% (три сигма).

Я еще не видел подруливающего устройства, чье прогнозируемое - фактическое дельта V составляет менее 1,5%. Я видел много там, где прогнозировалось - фактическая дельта V превышает 5%. Я предполагаю, что у JWST есть акселерометры, но это всего лишь предположение. Литература по бортовым датчикам JWST, связанным с движением, довольно скудна. Существует много литературы по датчикам ориентации и скорости ориентации, но почти нет информации о датчиках, связанных с движением.

В любом случае, я не вижу литературы, рассказывающей о бортовых возможностях поступательной навигации JWST. Если бы JWST использовала счисление пути, дополненное, конечно, случайными исправлениями со стороны НАСА, об этой новой возможности было бы много статей.

Позаимствовав термин из программного обеспечения, YAGNI (вам это не понадобится) и KISS (будьте краткими и простыми) массово применяются к возможностям космического корабля. Большинство космических кораблей не знают, где они находятся, потому что им это не нужно, а также потому, что программное обеспечение для управления, навигации и управления часто является самым сложным и дорогим программным обеспечением на транспортных средствах, которые в нем нуждаются.

Яркими примерами являются программное обеспечение Space Shuttle и Международной космической станции. Считая всех людей, которые написали программное обеспечение для полетов, написали модульные тесты этого программного обеспечения для полетов, написали код моделирования для дальнейшего тестирования этого программного обеспечения для полетов, людей, которые поддерживали тестовую среду, тестировщиков, которые проводили тесты, и оценщиков, которые тыкали и тыкали во все, Программное обеспечение для полетов «Шаттла» и МКС писалось в ошеломляющем темпе — одна строка кода на человека в неделю. Я подозреваю, что программное обеспечение для полетов JWST было написано с более типичной скоростью: одна строка кода на человека в день или, может быть, даже в час. Одна строка кода на человека в час была бы феноменальной.

Даже с такой феноменальной скоростью, как одна строка кода на человека в час, YAGNI и KISS потребовали бы устранения многих тысяч строк математически сложного, подверженного ошибкам и дорогостоящего в вычислительном отношении программного кода, необходимого для того, чтобы космический корабль самостоятельно перемещался по мертвым точкам. расчет - хорошая идея, если эта возможность не нужна. И в случае JWST это не нужно.

То, что JWST действительно должен делать с очень высокой точностью, с очень высокой точностью и с очень высокой плавностью, — это знать, куда направить себя и направить свой телескоп относительно «неподвижных» звезд. Об этой возможности JWST написано очень много литературы. Команда JWST хвастается этими возможностями, и это хвастовство вполне оправдано.

Чего JWST не нужно делать, так это знать, где он находится. Знание того, где находится JWST, является результатом сотрудничества между сетью дальнего космоса (DSN) НАСА, управляемой Лабораторией реактивного движения, и группой динамики полета JWST, управляемой и размещенной в Центре космических полетов Годдарда. DSN очень точно измеряет дальность (расстояние до космического корабля) и скорость дальности (производная дальности по времени). Дополнительные точные измерения могут быть выполнены, когда несколько наземных станций DSN могут одновременно связываться с космическим кораблем.

DSN предоставляет эти точные измерения группе по динамике полета JWST, которая отвечает за определение состояния JWST (положения и скорости), а также за планирование коррекций в середине курса, маневров поддержания орбиты и маневров сброса импульса. Это антитеза мертвой расплаты. Методы точного определения орбиты восходят к Гауссу, и со времен Гаусса эти методы заметно улучшились. Методы Гаусса включали только измерения азимута и высоты; диапазон и диапазон скорости не были доступны. Дальность и скорость дальности настолько точны для космических аппаратов за пределами низкой околоземной орбиты, что современные методы точного определения орбиты часто игнорируют измерения азимута и угла места как чрезмерно зашумленные параметры.

Ссылки
Энн Лонг и др., «Концепции навигации для космического телескопа Джеймса Уэбба», Симпозиум по механике полета, 2003 г. (2003 г.)

Сунгпил Юн и др., «Анализ определения орбиты космического телескопа Джеймса Уэбба» (2014 г.).

Дж. Леви и др., «Концепция полетной динамики JWST и наземная система летной динамики», Аэрокосмическая конференция IEEE 2020 г. (2020 г.).

Дальность измеряется по радио. Базовая станция на Земле посылает закодированный сигнал, который повторяется спутником. Время задержки является мерой расстояния и может быть точно измерено на земле. Это не так просто, поскольку возвращенный сигнал отправляется на другой частоте с фиксированным соотношением (сигнал делится), а наземная станция находится на Земле и движется вместе с вращением Земли, плюс в течение короткого времени сигнал движется через Землю. атмосферу с несколько иной скоростью по сравнению с космосом.

Лучшее описание, которое я видел о том, как это делается (хотя более старая техническая версия, используемая в Apollo), находится в видео Apollo Comms Part 1 на YouTube , начиная примерно с 03:45. Дальнейшее описание (вполне техническое) можно найти в JWST последовательного ранжирования .

Относительная скорость измеряется эффектом Доплера . Возвращенный сигнал имеет фиксированное отношение частот (которое соответствует проекту) на спутнике, но он будет смещен из-за эффекта Доплера. И снова наземная станция движется с вращением Земли, но это известный фактор, который компенсируется.

Направление на спутник измеряется относительно «неподвижных» звезд с помощью оптических (реже) и радиотелескопов. Поскольку известно и направление, и расстояние, можно вычислить «положение».

--- дополнительные дополнения к ответу ---

Что касается точного счисления: оно как бы используется, но основано на измерениях. Расстояние, относительная скорость (по сравнению с землей) и относительное направление могут быть измерены с высокой точностью. Поскольку «законы» движения Ньютона хорошо известны, их можно использовать для обновления вектора состояния (3-кратное положение, 3-кратное перемещение) между измерениями, что-то вроде точного расчета, но обновляется/исправляется при появлении новых данных. Сравнение вектора состояния с желаемой траекторией используется для расчета ожогов наземными компьютерами. Затем космическому кораблю приказано сориентироваться относительно известных фиксированных звезд (используются устройства слежения за звездами), а затем запустить двигатель X на Y секунд. Космическому кораблю как таковому не нужно знать свое положение, так как все расчеты производятся на Земле. Поскольку ожоги никогда не бывают абсолютно точными, после прожига снова выполняются детальные измерения, чтобы обновить максимальную ошибку вектора состояния. В середине полета измерения можно проводить реже и/или методами, имеющими более высокие максимальные ошибки.

Анекдот, который намекает на то, как DSN измеряет расстояние до места.

В 1980-90-х годах я был инженером, работавшим над генераторами сигналов. Несколько лет назад НАСА купило несколько наших генераторов сигналов для использования в спутниковой дальнометрии с помощью фазовой триангуляции несущей и хотело получить повторный заказ.

Мы перестали производить модель, которую они купили в прошлый раз, поэтому предложили «улучшенную» модель. Это позволило улучшить фазовый шум со смещением на 1 кГц (важно для коммуникационных приложений, на которые мы в основном ориентировались), за счет включения внутреннего кварцевого генератора на 10 МГц, синхронизированного по фазе с внешним стандартом, для очистки стандартного шума на этом смещении.

Они оценили этот новый генератор сигналов и отвергли его. Дрейф постоянного тока в фазовом детекторе, который синхронизировал генератор шумоподавления, означал, что они хуже отслеживали фазу выходной несущей между несколькими генераторами, синхронизированными с одним и тем же эталоном.

Как только мы представили переключатель для обхода нового фильтра, они купили 24. Это показывает, что точность фазы несущей действительно важна для этого конкретного метода.