Navigation und Orientierung im All

Ich habe mal eine Frage zum Problem Orientierung im Weltall.
Wäre bei einem Flug zum Mond oder Mars, aus heutiger Sicht, die Besatzung völlig eigenständig in der Lage den Hin- und Rückflug mit Landung und Rückstart, bis zum Eintritt und Landung auf der Erde, durchzuführen? Könnte sie immer ganz genau feststellen, wo sie sich befindet?
Angenommen es kommt kurz nach dem Verlassen der Umlaufbahn der Erde zum Ausfall der Funkverbindung. Ist ja nichts neues. Oder ist die Besatzung dann verloren? 

bombat

Hallo bombat,

generell ist das kein Problem. Raumsonden orientieren sich auch von selbst an den Sternen und wissen dann wo sie sind. Bei Apollo waren sogar eigene/manuelle optische Navigationsinstrumente (quasi wie auf einem Schiff) dabei. Die konnten das also wirklich von Hand. Heute wird man sich auf die Sensoren und Computer an Bord verlassen. Wichtig ist eine stabile Uhr, um seine Position genau aus den beobachteten Konstellationen schlissen zu können.

Gut, ok! Aber wie wissen wir, wie vom Mars aus gesehen, die Planeten unseres Sonnensystems am Sternenhimmel angeordnet sind? :'(

bombat

Früher, auf den Schiffen, hatten sie einen Sternenalmanach dabei. Darin hatten die Astronomen Orte und Zeiten der Sterne verzeichnet. Heute weiß der Bordcomputer das. Die Positionen lassen sich ja aus den vollständigen Modellen über die Dynamik des Sonnensystems problemlos berechnen ... wenn man die Zeit genau kennt.

Mit einem Computerprogramm also Mathematik?  Die Planeten folgen festen physikalischen Gesetzen, in diesem Fall dem Gravitationsgesetz nach Herrn Newton.

Notfalls kann mans auch mit der Hand ausrechnen.

Gibt es eine Sternenkarte, die die genaue Position der Sterne, vom Mars aus gesehen, zeigt?
Nach den Vorgaben, ist berechenbar, müßte es eine geben, weil man ja nicht erst Vorort anfangen kann, eine zu "zeichen".
ÄÄÄÄh! Und welcher Stern ist dann der Polarstern?

Eine Raumsonde hat allerhand Sternenpositionen "an Bord", um diese Konstellationen mit den Sternsensoren zu erfassen und zu erkennen. Den Polarstern braucht man nicht zwingend. Das ist halt ein schöner "Sonderling" auf der Erde, für die Erdgebundene Navigation auf der Nordhalbkugel.

Vielleicht sollte der Thread in den Fragenteil. Mit Orion hat das nichts mehr zu tun.

Der Thread wird Diskussionen zur Orientierung und Navigation von Raumsonden und Raumschiffen im All aufnehmen.

Ok! Ich gehe in den Fragenteil, weil ich einfach noch weitere Fragen dazu habe.

Ich denke wir werden die letzten Beiträge dorthin verschieben .

Servus,

da hab ich doch gleich mal ne Frage:

Die Orientierung im All ist mir einigermaßen verständlich, anhand der Sterne ist das gut machbar; wie aber bestimmt man seine aktuelle Geschwindigkeit? z.B. auf ner Reise zum Mars? misst man ständig Signallaufzeiten zur Erde?

mfg h-j

Geschwindigkeitsmessungen lassen sich mit hoher Genauigkeit anhand von Doppler-Messungen vornehmen. Damit ist die Geschwindigkeit bzgl. der Sonne und zweier weiterer (heller) Sterne ausreichend für eine absolute Geschwindigkeits- und Richtungsangabe.

Da stelle ich mir die Positionsbestimmung hingegen schwieriger vor. Immerhin ändern sich die Positionen der nächsten Sterne nur um sehr kleine Werte, wenn man "ein Stück" von der Erde weg ist. Kann bitte dazu jemand etwas sagen?

Stimmt, der Sternensensor alleine liefert Lagedaten, quasi Winkel, der Sonde. Die müssen mit einem festen Referenzsystem "verrechnetet" werden, um etwas Sinnvolles zu beschreiben, bspw. mit einer Trägheitsplattform. Die durch den Sternsensor unabhängig gemessenen Winkel können in die Navigationslösung der Trägheitsplattform einfließen und diese verbessern. Andersherum kann man die Lagedaten der Sternsensoren auch regelmäßig nutzen, um die Trägheitsplattform wieder neu auszurichten. Beim Shuttle wurde das u.a. auch gemacht.

Es müsste auch möglich sein, ein System aus Sternen- und Sonnensensoren zu nutzen. Wenn das System misst wo die Sonne steht (gesehen wird), wo die fixen Sterne gesehen werden und welche Zeit gerade ist, kann man daraus die Position im Sonnensystem errechnen. Die (dynamische) Sonne hat dann so eine Funktion wie der Horizont oder der Zenit bei der Schiffsnavigation auf der Erdoberfläche.

Auch bei der Navigation in der Raumfahrt gelten ähnliche Anforderungen wie zu Zeiten der Seefahrer: je genauer die Instrumente arbeiten, desto exakter kann man die eigene Position feststellen.
Man weiß heute recht genau, wo sich zu welchem Zeitpunkt welcher Himmelskörper im Sonnensystem befindet bzw. zu befinden hat.
Als Bezugsystem dienen auch hier die Fixsterne, welche  innerhalb des Sonnensystems ihre Position an der Sphäre nicht bzw. kaum ändern. Das heißt der Fixsternhimmel sieht vom Jupiter praktisch idetisch wie vom Erdhimmel aus.
Eventuelle Parallaxenverschiebungen sind berechenbar.
Insofern ist mit der Positionsmessung von einigen Himmelskörpern durch Triangulation die eigenen Position so exakt berechenbar, wie die Instrumente dies erlauben. So kann man selbst auf Distanzen Erde-Saturn die Position eines Raumschiffs kilometergenau im freien Raum bestimmen ... und auch eventuelle Verspätungen von einigen Sekunden gegenüber dem Soll feststellen (und das bei einigen Jahren Flugzeit).
Finde ich übrigens auch immer wieder bemerkenswert und staune, ist aber nicht das Hexenwerk als das es scheint. 

Jahrzehntelange technische Entwicklung.

Man staunt manchmal, was die vor 40 Jahren schon so geschafft haben. Der Fortschritt von heute liegt vor allem in der Genauigkeit und der Reaktionsfähigkeit auf unvorhergesehene Ereignisse.

Die Orientierung im All ist mir einigermaßen verständlich, anhand der Sterne ist das gut machbar; wie aber bestimmt man seine aktuelle Geschwindigkeit? z.B. auf ner Reise zum Mars? misst man ständig Signallaufzeiten zur Erde?

Also, wenn überall auf dem Weg zu Mars der Sternenhimmel gleich ist, bleibt doch nur als brauchbare Quelle für die Navigation das Signal von der Erde, oder?
Die Frage war aber, wenn die Verbindung unterbrochen ist, was dann.......

bombat

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Es gibt größere Veränderungen in den Positionen der Planeten und kleine bei benachbarten Fixsternen. Diese können gemessen werden und würden in die Positionsbestimmungen einfließen. Unbemannte Sonden führen ein internes Referenzsystem, in dem alle Beschleunigungen durch Antriebsphasen eingerechnet werden. Mit der Zeit wird dieses System jedoch zunehmend ungenauer, da es immer minimale Abweichungen gibt, die sich im Laufe der Zeit zu größeren wandeln. Eine Winkelabweichung von 1 Bogensekunde sind auf 1.000 km nur knapp 5 Meter, auf ein paar Millionen Kilometer jedoch ...

Also wäre es günstig, wenn in gewissen Zeitabständen die genaue Position das interne Referenzsystem wieder anpasst. Dies kann mit Hilfe von Funksystemen geschehen oder auch mit einem System von Sternsensoren.

Bei unbemannten Systemen verwendet man nur die Funksysteme. Wenn der Funkkontakt verloren geht, ist die Mission ja ohnehin beendet. Nähert sich eine Raumsonde allerdings einem Himmelskörper, so kann sie relativ zu diesem navigieren. Dafür verwendet man Kamerasysteme, Radar und evtl. Lasermesssysteme.

Es gibt größere Veränderungen in den Positionen der Planeten und kleine bei benachbarten Fixsternen. Diese können gemessen werden und würden in die Positionsbestimmungen einfließen.

Tut mir leid, aber ich kann mich erst mal nur daran erinnern, dass jemand darstellte, dass sich eigentlich garnichts ändert.
Ich bin ein Leie und lebe von der Hand in den Mund mit Info's.

Siehe meinen automatischen Text.

Tut mir leid, aber ich kann mich erst mal nur daran erinnern, dass jemand darstellte, dass sich eigentlich garnichts ändert.

Das gilt mehr oder weniger nur für die Fixsterne.
Planeten unseres Sonnensystems verändern mit der subjektiven Positionsveränderung innerhalb des Sonnensystems sehr wohl ihre scheinbaren Positionen am Fixsternhimmel.
Bezüglich auf einige Referenzsterne kann man somit durch Winkelmessung zu Planeten recht genau die eigenen Position innerhalb des Sonnensystems ermitteln (ähnlich wie man seine Position auf der Erde bezüglich auf GPS-Satelliten referenzieren kann). Das funktioniert natürlich um so besser, wenn man noch weitere  Möglichkeiten zur Referenzmessung hat, wie zum Beispiel das Funksignal der Erdstationen, idealerweise mit einem Zeitstempel versehen.
So kann die Entfernung zur Erde recht genau gemessen werden.