Messen Orbiter ihre Geschwindigkeit und Position?

Hallo,

meine Frage: Wenn ein Orbiter in einen Orbit um einen Planeten eintritt (z.B. Cassini, Juno), bekommen die dann die notwendigen Korrekturen an Flugrichtung und Geschwindigkeitsänderung vorab mitgeteilt und starten dann einfach zum Zeitpunkt X ein festes Programm oder bestimmen sie aktiv Position und Lage (davon gehe ich aus) und Geschwindigkeit relativ zum Zielorbit - aber wie?

Danke Vorab
Stefan

Ich denke mal, Ersteres ist der Fall. Sie werden zwar die an Bord befindlichen Instrumente (Startracker, Kameras, Radio Science) zur möglichst genauen Positionsbestimmung einsetzen, um daraus die erforderlichen Korrekturen IMHO dann auf der Erde zu berechnen und der Sonde entsprechende Anweisungen zufunken, die sie dann zur Bordzeit X ausführt. Ich glaube auch nicht, dass sich eine "Orbit Insertion" speziell von anderen Manövern unterscheidet.

Klassisch ist das so: die Dynamiker am Boden berechnen das Manöver, senden die Kommandosequenz an den Satelliten und sagen "go"! Ein Satellit bricht ggf. zwischendurch ab, wenn er eine technische Anomalie feststellt. Ob er "das Ziel" erreicht hat, prüft man auch nach dem Manöver vom Boden aus.

In Zukunft wird sich das wohl ändern. In den geplanten Großkonstellationen wird es deutlich höhere Autonomie geben müssen, zumindest für eine Reihe einfacher "Managementmanöver" in der Konstellation. Da wird kein Team am Boden einzelne Manöver für jeden Satelliten berechnen und überwachen können. Man wird vom Boden aus den technischen Gesamtstatus überwachen, und das dynamische Verhalten der Konstellation, um ggf. einen "Ausreißer" zu finden. Die Satelliten werden nur "um Hilfe rufen", wenn sie selbst eine technische Anomalie feststellen.

Bei vielen aktuellen Satelliten ist es heute schon so, dass sie zumindest ihre Position im Raum z.B. per GPS kennen und damit geolokalrelevante Aktionen ausfuehren, z.B. ueber Land auf eine andere Kamera schalten als ueber dem Wasser. Das Ausfuehren von Manoevern passiert allerdings noch weitestgehend manuell so wie Schillrich es beschrieben hat.

GPS ist dabei sehr gut um die Position im Raum zu bestimmen, Star Tracker sind sehr gut um die Ausrichtung im Raum zu bestimmen. Da man allerdings um andere Planeten kein GPS zur Verfuegung hat muss man bei der Positionsbestimmung dort auf andere ungenauere Methoden zurueckgreigen wie z.B. Doppler- und Rangemessungen. Daher wird bei Deep Space Missionen  noch klassisch mit Berechnungen am Boden gearbeitet. Man laedt dann die entsprechenden Kommandosequenzen einige Stunden oder sogar Tage vorher zum Orbiter oder Raumsonde hoch und dann heisst es abwarten. In Echtzeit eingreifen ist leider (ausser vielleicht beim Mond) aufgrund der Signallaufzeit nicht moeglich.

Was mir bekannt ist, ist dass bei den Marsrovern zumindest teilautonomes Fahren eingesetzt wird. D.h. sie bekommen zwar vom Boden aus einen Zielpunkt vorgegeben, koennen dann aber bei Hindernissen selbst entscheiden wie sie diesen ausweichen wollen.

Klassisch ist das so: die Dynamiker am Boden berechnen das Manöver, senden die Kommandosequenz an den Satelliten und sagen "go"! Ein Satellit bricht ggf. zwischendurch ab, wenn er eine technische Anomalie feststellt. Ob er "das Ziel" erreicht hat, prüft man auch nach dem Manöver vom Boden aus.

In Zukunft wird sich das wohl ändern. In den geplanten Großkonstellationen wird es deutlich höhere Autonomie geben müssen. [...]

Satelliten... schön und gut, aber wie ist es im Fall von Orbitern um fremde Planeten, und da speziell bei der "Orbit Insertion" (wonach der TE ja gefragt hatte)?

und das verstehe ich auch noch nicht wirklich...

Entfernung ist recht einfach zu ermitteln. Ausrichtung im Raum auch. Aber ohne GPS etc wird es doch schon schwer seine Position quer zur Flugrichtung auch nur auf einige km genau ermitteln zu können..

Bei Sonden die nur durch eine Brennphase in einen Orbit einschwenken wird die Toleranz noch einige km betragen können aber wenn man Atmosphärenbremsung am Mars nutzen will dürften 5 km höher oder tiefer schon den Tod der Sonde bedeuten..

Angaben zur Geschwindigkeit und Entfernungen und Position werden auf der Erde berechnet. Dazu wird der Doppler-Effekt genutzt.
Die NASA kann in der Regel, Ausnahmen könnte es geben, die Position mit Hilfe des Doppler-Effekt und des DSN relativ genau bestimmen.

Die Raumsonden werden auf einen bestimmte Position an den Planeten herangesteuert, damit sie diesen Punkt treffen werden unterwegs Bahnkorrekturen durchgeführt. Das Bremsmanöver ist ein computergesteuertes Programm. Die Bahn wird dann später durch weitere kleine Korrekturen der geplanten Bahn angepasst.

Kleine Ergaenzung:

Mit Dopplermessungen laesst sich die Relativgeschwindigkeit zur Erde berechnen. Uber die Signallaufzeit bekommt man sehr genau die Entfernung und mit Star Trackern, Sonnen- und Albedosensoren und Gyroskopen kann man die Ausrichtung im Raum bestimmen.

Mit all diesen Informationen zusammen berechnen die Flugdynamiker am Boden in entsprechend grossen Rechnern (zu gross um sie in eine Sonde zu packen) dann die Bahn um oder zum Planeten und die noetigen Kommandosequenzen fuer etwaige Manoever.

[...] in entsprechend grossen Rechnern (zu gross um sie in eine Sonde zu packen) [...]

Das find ich krass angesichts der Tatsache, daß heute jedes Handy ein zigfaches an Rechenleistung hat als die Großrechner aus den 70ern (welche z.B. die Kurse der damaligen Sonden berechnen mußten). Warum bedarf es hierzu immer noch "große" Rechner?

Zitat von: Nitro am 29. November 2017, 11:33:51

[...] in entsprechend grossen Rechnern (zu gross um sie in eine Sonde zu packen) [...]

Das find ich krass angesichts der Tatsache, daß heute jedes Handy ein zigfaches an Rechenleistung hat als die Großrechner aus den 70ern (welche z.B. die Kurse der damaligen Sonden berechnen mußten). Warum bedarf es hierzu immer noch "große" Rechner?

Ich meinte damit jetzt keine Supercomputer, sondern lediglich dass man in Raumsonden in der Regel nur das aller wesentlichste verbaut. Die Berechnungen muessen so oder so auf der Erde statt finden und koennen dann in ganz normalen handelsueblichen und damit verhaeltnismaessig guenstigen Rechnern statt finden, anstatt sich teure, miniaturisierte und weltraumspezifische Hardware in eine Sonde zu bauen. Da ist es eher wichtig dass dort gerade die Software drauf laufen kann die nicht von der Erde aus uebernommen warden kann, wie z.B. Algorithmen zur automatischen Fehlerbekaempfung und aehnliches.

In den 70ern gab es zwar schon ein paar wenige erste Mars- und Venusorbiter wie Mariner 9, die Vikings oder Venera 9, aber die Umlaufbahnen waren damals noch sehr einfach: hohe Inklinationen, hohe Exzentrizitaet, mehrere tausend bis hundertausen Kilometer Abstand zur Oberflaeche. Da war man noch froh wenn man es ueberhaupt bis in den Orbit geschafft hat. An Aerobraking oder Orbiter um Jupiter oder Saturn war da noch nicht zu denken. Der Grund warum wir z.B. erst 2004 mit MESSENGER den ersten Merkurorbiter hatten war in erster Linie weil man erst seitdem genug Rechenleistung hat um die entsprechende Flugbahn zu berechnen.

ich check es immer noch nicht: wie wird jetzt ermittelt ob sich die Sonde ein paar km rechts oder links von der geplanten Flugbahn befindet?

ich check es immer noch nicht: wie wird jetzt ermittelt ob sich die Sonde ein paar km rechts oder links von der geplanten Flugbahn befindet?

Danke, ich auch nicht 

Geschwindigkeit (Doppler Effekt) und Entfernung (Signallaufzeit) kann ich nachvollziehen, Lage (bezogen auf den Fixsternhimmel) auch. Aber für die Position werden Fixsterne als Referenz mMn nicht ausreichen, weil die Entfernung viel zu groß ist bzw. die Winkeländerung auch bei einer Abweichung von zig Kilometern kaum messbar sein dürfte.

Bei New Horizons hab ich gelesen, dass sie einen Sonnensensor verwendet haben und zusätzlich eine Trägheitsplattform (IMU). Mit einer sehr stabilen IMU ist ja vieles möglich, wenn ich einen exakten Ausgangspunkt habe. Andererseits kann ich mir nicht vorstellen, dass ein IMU über Monate hinweg keine Abweichungen aufaddiert.

Was ich mir noch überlegt habe: Die Erde ändert ja auch ständig ihre Position, könnte ich nicht aus mehreren Messungen der Distanz die Position berechnen (die Bahngeschwindigkeit und Richtung der Erdbewegung ist ja sehr genau bekannt). Nur so ne Idee.

Doppler- und Range(also Laufzeit)messing werden in regelmaessigen Abstaenden durchgefuehrt. Doppler liefert nicht nur die Geschwindigkeit sondern mit entsprechenden Berechnungen kann man auch Vektor erfassen.

Ist jetzt z.B. ein Manoever geplant dann kann relative gut mit ausreichend Messungen vor und nach dem Burn bestimmen wie gross die Abweichung war. Mit Dopplermessungen konnte man zum Beispiel auch damals bei der Huygens Landung schon die Geschwindigkeit des Landers erfassen bevor man die erste Telemetrie ueber Cassini hatte, rein ueber die Traegerwelle.

Ich muss gestehen es gibt sicherlich noch den einen oder anderen Trick wie zum Beispiel die von FlyRider beschriebenen IMUs oder wie bei Rosetta die Positionsbestimmung anhand von Kameraufnahmen der Oberflaeche unter der Sonde und ich spreche auch nur aus eigener Erfahrung mit Moglichkeiten bei erdgebundenen Satelliten die ich auf Sonden uebertrage. Ich kann mich auch mal bei den Flugdynamikkollegen bei der ESA kundig machen. ;-)

Denn mach das mal. 
Denn das mōchte ich jetzt auch wissen.

Mfg Collins

Ein typischer Denkfehler

ich check es immer noch nicht: wie wird jetzt ermittelt ob sich die Sonde ein paar km rechts oder links von der geplanten Flugbahn befindet?

denn im Raum hat man eine Position, da ist man nicht links oder rechts oder oben oder unten oder vorne oder hinten.


Versuch zur Erklärung einer Positionsbestimmung im Raum durch Vermessung
(symbolisches Beispiel)

                                                                                Erde

                                                                            ->    x
       Sonde                                                           
   
         s ->                                                                  ->   z
                    
                                                                          ->  y

Von der Sonde s geht ein Signal -> auf die Reise. Das Signal erreicht nun die Erde, auf den die Antennen x, y und z wird es empfangen. Die Antennen stehen räumlich von einander entfernt, dadurch sind die Signallaufzeiten unterschiedlich.
Dabei ist zu beachten, das Signal ist mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs, die unterschiedlichen Signalankunftszeiten an den Antennen ist minimal, aber man es messen. Dadurch weiss man die Strecke von jeder Antennen zur Sonde und dadurch kann man die Position bestimmen.
Hierbei braucht man sehr genau gehende Zeitmessinstrumente.
Während der Signallaufzeiten haben sich die Positionen der Sonde und der Erde geändert.

...
Geschwindigkeit (Doppler Effekt) und Entfernung (Signallaufzeit) kann ich nachvollziehen, Lage (bezogen auf den Fixsternhimmel) auch. Aber für die Position werden Fixsterne als Referenz mMn nicht ausreichen, weil die Entfernung viel zu groß ist bzw. die Winkeländerung auch bei einer Abweichung von zig Kilometern kaum messbar sein dürfte.
...

Bei der optischen Navigation wird eine Peilung von Fixsterne zusammen Planeten und Monden durchgeführt. Wenn diese Peilung regelmässig zu gleichen Zeiten durchgeführt wird, kann durch die Veränderungen der Planeten und Monde zu den Fixsternen die Position, die Lage, die Geschwindigkeit und die Richtung der Sonde bestimmen.

Als Beispiel, das Raumsonden ihre Geschwindigkeit nicht berechnen können, kann man die Apollo-Missionen zum Mond nennen. Dort müsste die Kombination CSM/LM auch in einen Orbit einschwenken. Das CSM besaß ein eigenes Navigationssystem PGNCS (Primary Guidance, Navigation and Control System).

Anders als das Wort "primary" (deutsch: grundlegend, hauptsächlich) in der Bezeichnung vermuten lässt, waren die vom PGNCS generierten Daten nicht die Hauptquelle für Informationen zur Navigation der Apollo-Raumfahrzeuge. Bahnverfolgungsdaten aus dem Deep Space Network der NASA wurden von Rechnern am Mission Control Center in Houston mittels der Methode der kleinsten Fehlerquadrate aufbereitet. Die auf diese Art ermittelte Position und Geschwindigkeit der Apollo-Raumschiffe waren genauer als die vom PGNCS generierten Daten.

Quelle des Zitats
https://de.wikipedia.org/wiki/Primary_Guidance,_Navigation_and_Control_System

Die Navigation von Raumsonden-Missionen haben sich im Laufe der Zeit immer weiter verbessert, aber die Auswertungen der Daten wurden und werden wohl auch in Zukunft auf der Erde ausgeführt.