¿Cómo rastreamos la ubicación exacta de la nave espacial que está a millones o miles de millones de millas de distancia de nosotros?

¿Cómo rastreamos la ubicación exacta de la nave espacial que está a millones o miles de millones de millas de distancia de nosotros?

No rastreamos la ubicación exacta de la nave espacial. Siempre hay errores en las mediciones, errores en los comportamientos de la nave espacial cuando realiza maniobras y errores en nuestros modelos del sistema solar. La exactitud (perfección) es inalcanzable. Es mucho mejor modelar esos errores que pretender que no existen.

¿Qué cosas estudiamos con fines de seguimiento?

Esto depende mucho del objeto de interés. Una distinción clave es si el objeto de interés es un objetivo cooperativo o no cooperativo. Un objetivo cooperativo de alguna manera coopera activamente para determinar la trayectoria del objeto. La Luna, el Sol, los planetas, los asteroides, etc., obviamente no cooperan. Todos los objetos de interés en el espacio no cooperaron hasta mediados del siglo XX, y las únicas medidas disponibles eran la posición angular del objeto (acimut y elevación) tal como lo ve un observador en la superficie de la Tierra.

Esto cambió drásticamente en la segunda mitad del siglo XX cuando la humanidad desarrolló el radar y cuando la humanidad comenzó a enviar objetivos cooperativos al espacio. El radar permite la medición del alcance de objetos algo cercanos en el espacio, donde "algo cercano" significa unas pocas unidades astronómicas más o menos. Estas medidas de alcance por sí solas son bastante precisas, lo suficiente como para que las medidas de dirección (acimut y elevación) sean de menor importancia.

Los objetivos cooperativos que transmiten una señal enviada desde la Tierra a la Tierra mejoran drásticamente el rango de esta medición de rango ya muy precisa y permiten una medición aún más precisa, la tasa de rango (la tasa a la que la distancia al objetivo cambia con respecto al tiempo). ).

Con una excepción, las mediciones de dónde se encuentra un objetivo cooperativo en el cielo son tan imprecisas en comparación con el rango y la tasa de rango que esas mediciones son esencialmente inútiles. Esa única excepción es Delta-Differential One Way Ranging, o ΔDOR, para abreviar. Esto implica observaciones simultáneas de una sonda de espacio profundo por dos o más estaciones terrestres separadas por miles de kilómetros. Las técnicas interferométricas producen precisión a nivel de nanorradianes en la posición angular del objeto observado.

¿Cómo predecimos exactamente?

Incluso con mediciones de rango, tasa de rango y ΔDOR, un único conjunto de mediciones brinda información sobre solo cuatro mediciones del estado de un objeto. Además, debido a que ΔDOR requiere el uso de dos estaciones terrestres simultáneamente, es bastante costoso . En muchos casos, solo hay una (rango) o dos observaciones (rango y tasa de rango) en cualquier momento. Ya sean una, dos o cuatro medidas, eso no es suficiente porque un objeto en el espacio tiene seis grados de libertad de traslación. Inferir el estado orbital a partir de un solo conjunto de medidas es un problema indeterminado.

Lo que se hace es combinar varios conjuntos de medidas recopiladas a lo largo del tiempo. Este es un problema sobredeterminado. Cada una de esas medidas tiene un error asociado, la propagación de una medida a otra induce errores adicionales (ruido de proceso) y los comportamientos imprecisos de una sonda cuando realiza una quema de corrección o ajusta su actitud inducen aún otros errores (ruido de planta) .

Describir las técnicas necesarias para combinar esas mediciones múltiples y tener en cuenta el ruido de la medición, el ruido del proceso y el ruido de la planta requeriría varios libros. Si desea estudiar esto por su cuenta, deberá comprender las técnicas de filtrado estadístico. Un conjunto de palabras clave de interés es "determinación de órbita de precisión", o POD para abreviar.

Si bien este sitio no da una respuesta muy detallada, da una idea relativamente buena de cómo se logra esto:

El JPL tiene cinco grupos, que manejan la navegación juntos.

• Grupo de Efemérides

  Calcula las posiciones de los objetos astronómicos en los tiempos predichos.
  
  

• Analistas de Determinación de Órbita

  Estudie las transmisiones de radio y las imágenes de las cámaras para determinar la ubicación actual de la nave espacial.
  
  

• Diseñadores de maniobras

  Planifique maniobras de propulsión para mantener la nave espacial en la ruta de vuelo correcta.
  
  

• Equipo de seguimiento radiométrico

  Evalúa las técnicas para adquirir y mejorar la precisión de las mediciones basadas en radio de la velocidad, la ubicación y el ángulo de la nave espacial en relación con la Tierra.
  
  

• Diseñadores de trayectoria

  Trace la ruta más eficiente para la nave espacial.
  
  

Así que realmente es un esfuerzo de equipo que involucra a grandes grupos de expertos que emplean varios métodos diferentes para localizar un satélite.