¿Cómo sabe una nave espacial que está en órbita?

La nave espacial Juno no tiene medios para medir y calcular directamente que está en órbita. No envió ningún mensaje de confirmación. Todo lo que envió fue un tono FSK indicando que había completado las actividades que se le ordenó hacer. Después de que la nave espacial regresó a la Tierra, transmitió todos los datos de ingeniería registrados del evento, brindando mucha más información sobre cómo había completado las actividades que se le ordenaron realizar.

La nave espacial puede determinar su actitud, pero eso no da ninguna información sobre su trayectoria. La única forma en que, en teoría, Juno podría determinar que estaba en órbita por sí sola sería usar la cámara de alcance para observar a Júpiter periódicamente después de JOI y ver su posición contra las estrellas de referencia, comparándola con una predicción de lo que vería si estaba en órbita vs. no. Sin embargo, la diferencia entre ellos es inicialmente pequeña, por lo que puede llevar algunas horas o días tomar la determinación. Esa capacidad ha sido desarrollada en JPL, llamada AutoNav , pero Juno no la está utilizando.

Juno podría inferir a bordo que está en órbita integrando las lecturas del acelerómetro. Pero eso no es una determinación de órbita directa.

La forma más inmediata en que supimos que Juno estaba en órbita fue la firma Doppler bidireccional. Sabíamos la trayectoria de Juno acercándose al planeta y, a partir de ahí, cómo se vería el cambio en el desplazamiento Doppler de la señal de banda X a lo largo de la línea de visión hacia la Tierra durante una inserción exitosa en la órbita. Entonces podríamos buscar esa firma en tiempo real. He aquí que ahí estaba.

La trayectoria de Juno fue diseñada para que la nave espacial estuviera a la vista de la Tierra durante todo el tiempo. (Es bastante común que la nave espacial vaya detrás del planeta visto desde la Tierra durante parte de una quemadura de inserción en órbita).

El Doppler bidireccional funciona enviando una frecuencia muy precisa derivada de un reloj atómico en la Tierra a la nave espacial, y haciendo que la nave espacial gire esa frecuencia con una fase coherente, donde esa frecuencia se multiplica por un número racional exacto (generalmente 880/749) para el enlace descendente. La señal recibida en la Tierra se convierte apropiadamente y se golpea contra el mismo reloj atómico para obtener el desplazamiento Doppler. Esto puede medir el componente de velocidad de la nave espacial en relación con la Tierra a lo largo de la línea de visión a la Tierra con una precisión de unos pocos milímetros por segundo. El Doppler bidireccional se puede realizar solo con la portadora, por lo que no es necesario transportar datos en el enlace. Esto permite el soporte de seguimiento Doppler con una intensidad de señal relativamente baja de la nave espacial.

Usando dispositivos de determinación de actitud (incluyendo el desplazamiento Doppler de la señal de radio de la Tierra), puede determinar ^* su ubicación y velocidad en relación con Júpiter, y a partir de esos datos, y conociendo la masa de Júpiter, se puede calcular la trayectoria. Si la trayectoria forma un bucle alrededor de Júpiter, ¡es una órbita!

^{* la determinación real se realiza en la Tierra, Juno simplemente rebota una señal de la Tierra y envía telemetría desde el resto de sus propios instrumentos.}

Primero una aclaración. Si uno insiste en que "saber" requiere conciencia de sí mismo e inteligencia, entonces la nave espacial Juno, por supuesto, no "sabe" nada. En lugar de obsesionarse con la tontería de lo que significa "saber", es mejor buscar una forma alternativa de responder la pregunta. Esa alternativa: ¿Qué tan sofisticado es el software de la computadora a bordo de Juno? ¿Sabía el software de la nave espacial, de alguna manera limitada, que efectivamente había alcanzado la órbita?

Estoy haciendo este wiki comunitario porque esto no es una respuesta. La respuesta correcta es muy difícil de encontrar. (Hasta donde puedo decir, ninguna de las respuestas ofrecidas es correcta). Tanto JPL como Lockheed Martin publican muy pocos detalles técnicos, si los hay, sobre el funcionamiento interno de sus vehículos. Los sistemas de guía, navegación y control del vehículo y los administradores de la misión aparentemente están marcados como restringidos por ITAR y como propietarios. Veré dos casos, uno en el que el vehículo no es consciente de que está en órbita alrededor de Júpiter y el otro en el que sí lo está.

Una forma en que el vehículo podría haber realizado la quema de inserción en órbita de forma autónoma habría sido orientar el vehículo en una orientación predeterminada, encender el cohete y detenerse cuando el delta V vaya (la diferencia entre un delta V deseado predeterminado y un delta V detectado acumulado). ) llegó a cero. Supongamos que tanto la orientación predeterminada como el delta V deseado predeterminado hubieran sido parte de una secuencia de comandos enviada a la nave espacial desde la Tierra. Si este es el caso, el vehículo no sabía que estaba en órbita. Todo lo que sabía era que la quemadura estaba completa. El software para hacer esto es muy simple. Si un software simple es lo suficientemente bueno para hacer el trabajo, lo mejor es lo simple.

Se podría necesitar mucha más sofisticación si ese enfoque simple no fuera suficiente. Por ejemplo, la nave espacial podría necesitar un software de guía, navegación y control más sofisticado, y un software de gestión de misiones más complejo. (Aparentemente tiene un software bastante extenso de detección de fallas, aislamiento y recuperación). En esta versión más sofisticada, el administrador de la misión bien puede tener un modo en órbita, cuya transición es activada por el software GNC que evalúa que se ha alcanzado la órbita deseada. Si bien este no es un software autoconsciente, es un software que sabe que el vehículo está en órbita alrededor de Júpiter.

Tenga en cuenta que Juno está controlado por una computadora RAD750 de 200 megahercios con 128 megabytes de memoria y 256 megabytes de almacenamiento flash. Eso es el equivalente a una computadora personal de bajo costo de 1999. No hay mucho espacio en ese sistema bastante limitado para mucha sofisticación.

La duración de la quemadura de inserción orbital fue controlada por un acelerómetro en la nave espacial. El control de la misión conocía la velocidad de entrada de la nave espacial y la velocidad deseada necesaria para la órbita planificada. Mientras el motor está funcionando, la nave espacial mide su tasa de desaceleración a lo largo del tiempo, y cuando el cambio total de velocidad alcanza la cifra necesaria, apaga el motor.

El mensaje de confirmación en este caso se envió cuando la sonda terminó la quema de inserción, y el control de la misión puede confirmar la velocidad a través del cambio Doppler como se indica en otras respuestas aquí.

La sonda no lo sabe, en realidad, a menos que la Tierra se lo diga. La forma en que se puede probar es encontrando su ubicación desde la Tierra, rastreando su camino y determinando si de hecho está en órbita. Esto se explica con gran detalle en Conceptos básicos de vuelos espaciales: navegación . En pocas palabras, utilizan dos técnicas: rango, donde se envía un pulso y se responde de inmediato, dando la distancia; y desplazamiento Doppler, que muestra la velocidad relativa entre la nave espacial y la Tierra. Estos dos, con suficientes medidas, permitirán determinar la órbita de un objeto.

Cabe señalar lo que la nave espacial pudo hacer por sí misma. Lo que puede hacer es indicar el cambio de velocidad, suponiendo que los instrumentos estén correctamente calibrados para hacerlo a bordo. Eso es lo que estaba buscando la nave espacial, o el momento de la quema, cualquiera de los cuales le permitiría saber que había alcanzado la quema correcta. Sin embargo, si el objetivo era incorrecto, la instrumentación incorrecta o algo similar, la quemadura podría no haber tenido éxito. Solo las mediciones desde la Tierra realmente podrían hacerle saber al sistema que había tenido éxito en su quema de captura.

La nave espacial Juno utiliza una combinación de técnicas para determinar su ubicación y trayectoria. Los sistemas a bordo, conocidos como "seguidores de estrellas", ayudan a la nave espacial a determinar su orientación en el espacio. En combinación con los datos de posicionamiento determinados a partir del análisis de la señal de radio realizado en la Tierra, el vehículo puede "triangular" su posición a lo largo de su trayectoria y calcular las desviaciones. Una vez que la nave espacial conoce su trayectoria actual real, puede realizar cálculos para determinar qué vectores de empuje aplicar (utilizando sus diversos motores) para lograr el rumbo correcto. En este caso, sería la inserción orbital. Consulte este artículo para obtener más información.

Se trata de giroscopio. Si no tiene la física afilada, puede que tenga que poner a trabajar un poco su imaginación :-)
Es un proceso bastante simple, y todo se hace de forma autónoma (tiene que ser así: se necesitan 48 minutos para que una señal llegar a Juno desde la Tierra y, como era de esperar, la misma cantidad de tiempo desde la Tierra hasta Juno. Así que 48+48 = ¡¡¡DESASTRE!!!).

1 - Tienes el componente de gravedad de Júpiter. Está tirando de Juno hacia él. Llamemos a esto el down-force;
2 - Para escapar de eso down-force, Juno tiene que acelerar hacia adelante tan rápido que eventualmente escapará, si continúa acelerando;
3 - El giroscopio en realidad acusa (lee) esa aceleración hacia abajo y ajusta los cohetes de propulsión en la forwarddirección hasta que la aceleración hacia abajo sea igual a cero. Esto se llama caída libre.

Estos cohetes delanteros tienen que activarse de vez en cuando (el giroscopio lo activa de forma autónoma) porque, a pesar de lo que hayas oído, hay fricción (poca, pero la hay) que ralentizará la velocidad de avance de Juno cuando esté en órbita. , debido a la atmósfera de Júpiter.

No confundas aceleración con velocidad.
Imagínate en tu coche. Cuando pisas el acelerador, aceleras. Sientes la presión de tu espalda contra el asiento del auto. Cuando llega a la velocidad deseada, deja de acelerar (no más contrapresión) y simplemente mantiene el pedal del acelerador presionado lo suficiente para mantener esa velocidad (para superar la fricción y otros, pero no más aceleración).

Si tu imaginación es lo suficientemente buena, piensa que, para caminar, tienes que inclinar el cuerpo hacia adelante para comenzar a caer. Para evitar golpearte la cara contra el suelo, estiras la pierna hacia adelante y aumentas la velocidad, hasta que tu aceleración sea cero y estés disfrutando de ese paseo por el parque.

Buen sitio sobre Juno, con muchos videos y datos nerd: http://spaceflight101.com/juno/juno-mission-trajectory-design/