¿Cómo sabemos la posición precisa del JWST?

¿Cómo sabe la NASA la posición exacta del telescopio espacial James Webb en un momento dado?

Ahora que se ha lanzado, la NASA no conoce la posición exacta del JWST en ningún momento. Los errores de posición y velocidad de tres sigma en MCC-2 se estimaron en aproximadamente 29 km y 21 cm/s, respectivamente. Eso no es exactamente "exacto".

Dado que ahora están en MCC2, ¿cómo determinan el tiempo exacto y la fuerza requerida para ingresar a la órbita del halo L2?

Afortunadamente, la NASA no necesita saber la hora y la fuerza exactas. El proyecto sería un brindis si lo hicieran. (Cualquier proyecto que necesite una posición y velocidad "exactas" sería un brindis.) Lo que la NASA no quiere es empujar la nave espacial con tanta fuerza que una quemadura de corrección posterior requiera que el vehículo gire hasta tal punto que el lado frío se vuelva orientado al sol. Por otro lado, un ligero subimpulso está bien. Sospecho que el Equipo de Dinámica de Vuelo de JWST errará por el lado de la precaución y apuntará a una ligera falta de alcance. (O probablemente se equivocó por el lado de la precaución ya que ahora se ha realizado MCC-2).

¿Es una cuestión de buena navegación a estima a la antigua?

TL;DR sinopsis
Absolutamente no. Confiar en la navegación a estima y nada más es una buena manera de asegurarse de que el vehículo pronto estará muerto. No veo ninguna referencia que indique que el JWST usa la navegación a estima en absoluto.

Detalles
No veo ninguna evidencia de que el JWST navegue por sí mismo en su estado de traducción. En cambio, lo que veo son documentos que se remontan a 2003 tratando de determinar si el JWST necesita acelerómetros. Si la nave espacial tiene acelerómetros, sería solo para determinar cuándo terminar una maniobra delta V. En particular, los acelerómetros no serían necesarios si los propulsores aumentados de combustión secundaria JWST (propulsores SCAT) son tan precisos que el error entre el delta V predicho y el real está dentro del 1,5 %, pero serían absolutamente necesarios si el error supera el 5 % (tres sigma).

Todavía tengo que ver un propulsor cuyo delta V real previsto sea inferior al 1,5%. He visto muchos donde se predijo: el delta V real supera el 5%. Supongo que el JWST tiene acelerómetros, pero eso es solo una suposición. La literatura sobre los sensores a bordo JWST relacionados con la propulsión es bastante escasa. Hay mucha literatura sobre sensores de actitud y tasa de actitud, pero casi nada sobre sensores relacionados con la propulsión.

En cualquier caso, no veo literatura alardeando sobre las capacidades de navegación traslacional a bordo del JWST. Si el JWST estuviera utilizando la navegación a estima, aumentada, por supuesto, por las correcciones ocasionales de la NASA, habría papel tras papel alardeando sobre esta nueva capacidad.

Robando un término del software, YAGNI (No lo vas a necesitar) y KISS (Mantenlo breve y simple) se aplican en masa a las capacidades de una nave espacial. La mayoría de las naves espaciales no saben dónde están porque no necesitan saberlo y porque el software de guía, navegación y control a menudo es el software más complejo y costoso en los vehículos que lo necesitan.

El transbordador espacial y el software de la Estación Espacial Internacional son ejemplos extremos. Contando a todas las personas que escribieron software de vuelo, escribieron pruebas unitarias de ese software de vuelo, escribieron código de simulación para probar más ese software de vuelo, personas que mantuvieron el entorno de prueba, evaluadores que ejecutaron las pruebas y evaluadores que pincharon y pincharon todo, el software de vuelo del transbordador y la ISS se escribió al ritmo vertiginoso de una línea de código por persona por semana. Sospecho que el software de vuelo JWST se escribió a la tasa más típica de una línea de código por persona por día, o tal vez incluso por hora. Una línea de código por persona por hora sería fenomenal.

Incluso a este ritmo fenomenal de una línea de código por persona por hora, YAGNI y KISS dictarían que eliminar las muchas miles de líneas de código de software de vuelo matemáticamente complejo, propenso a errores y computacionalmente costoso necesario para que una nave espacial se auto-navegue a través de el ajuste de cuentas es una buena idea si no se necesita esa capacidad. Y no es necesario en el caso del JWST.

Lo que sí necesita hacer el JWST, con altísima precisión, con altísima exactitud y con altísima suavidad, es saber hacia dónde apuntar y apuntar su telescopio con respecto a las estrellas "fijas". Hay mucha, mucha literatura sobre esta capacidad JWST. El equipo de JWST alardea de estas capacidades, y ese alarde está muy bien justificado.

Lo que el JWST no necesita hacer es saber dónde está. Saber dónde está el JWST es una colaboración entre la Red de Espacio Profundo (DSN) de la NASA, administrada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro, y el Equipo de Dinámica de Vuelo de JWST, administrado y alojado en el Centro de Vuelo Espacial Goddard. El DSN mide el rango (distancia a la nave espacial) y la tasa de rango (derivada del rango en el tiempo) con extrema precisión. Se pueden realizar mediciones precisas adicionales cuando múltiples estaciones terrestres DSN pueden comunicarse con la nave espacial simultáneamente.

El DSN proporciona estas medidas precisas al equipo de dinámica de vuelo de JWST, que es responsable de determinar el estado de JWST (posición y velocidad) y de planificar las correcciones a mitad de camino, las maniobras de mantenimiento de la órbita y las maniobras de descarga de impulso. Esta es la antítesis de la navegación a estima. Las técnicas para la determinación precisa de la órbita se remontan a Gauss, y las técnicas han mejorado notablemente desde la época de Gauss. Las técnicas de Gauss implicaban únicamente mediciones de azimut y elevación; el rango y la tasa de rango no estaban disponibles. El rango y la tasa de rango son tan precisos para las naves espaciales más allá de la órbita terrestre baja que las técnicas modernas de determinación de la órbita de precisión a menudo ignoran las mediciones de azimut y elevación como parámetros demasiado ruidosos.

Referencias
Anne Long et al., "Conceptos de navegación para el telescopio espacial James Webb", Simposio de mecánica de vuelo de 2003 (2003)

Sungpil Yoon et al., "Análisis de determinación de la órbita del telescopio espacial James Webb" (2014).

J. Levi et al., "El concepto de operaciones de dinámica de vuelo JWST y el sistema terrestre de dinámica de vuelo", Conferencia Aeroespacial IEEE 2020 (2020).

El alcance se mide por radio. La estación base en la Tierra envía una señal codificada que el satélite repite. El tiempo de retardo es una medida de distancia y se puede medir con precisión en tierra. No es tan fácil como eso, ya que la señal devuelta se envía en una frecuencia diferente a una proporción fija (la señal se divide) y la estación terrestre está en la Tierra y se mueve con la rotación de la Tierra y, durante un breve período, la señal se mueve a través de la Tierra. atmósfera a una velocidad ligeramente diferente en comparación con el espacio.

La mejor descripción que he visto sobre cómo se hace esto (aunque se usa una versión técnica anterior en Apollo) está en el video de YouTube Apollo Comms Part 1 que comienza aproximadamente a las 03:45. Una descripción más detallada (bastante técnica) se encuentra en el rango secuencial de JWST .

La velocidad relativa se mide por el efecto Doppler . La señal devuelta tiene una relación de frecuencia fija (que es la diseñada) en el satélite, pero será desplazada por el efecto Doppler. Y nuevamente, la estación terrestre se mueve con la rotación de la Tierra, pero este es un factor conocido que se compensa.

La dirección al satélite se mide en relación con las estrellas "fijas" utilizando telescopios ópticos (raramente) y de radio. Como se conocen tanto la dirección como la distancia, es posible calcular la "posición".

--- más adiciones a la respuesta ---

En cuanto a la navegación a estima: se usa un poco, pero se basa en las medidas. La distancia, la velocidad relativa (en comparación con la Tierra) y la dirección relativa se pueden medir con gran precisión. Como las "leyes" de movimiento de Newton son bien conocidas, esto se puede usar para actualizar el vector de estado (3 x posición, 3 x movimiento) entre mediciones, una especie de navegación a estima pero actualizada / corregida cuando hay nuevos datos disponibles. La comparación del vector de estado con la trayectoria deseada se usa para calcular las quemaduras por computadoras basadas en tierra. Luego se ordena a la nave espacial que se oriente en relación con las estrellas fijas conocidas (se utilizan rastreadores de estrellas) y luego se ejecuta el propulsor X durante Y segundos. La nave espacial como tal no necesita conocer su posición ya que todos los cálculos se realizan en la Tierra. Como las quemaduras nunca son totalmente precisas, después de la quema, se vuelve a realizar un período de mediciones detalladas para actualizar el error máximo del vector de estado. En pleno vuelo, las mediciones se pueden realizar con menos frecuencia y/o con métodos que tengan errores máximos más altos.

Una anécdota que insinúa la forma en que el DSN mide el alcance al espacio.

En la década de 1980/90, yo era un ingeniero que trabajaba en generadores de señales. La NASA había comprado varios de nuestros generadores de señales hace algunos años para usarlos en la medición de satélites mediante triangulación de fase portadora, y quería repetir el pedido.

Habíamos dejado de fabricar el modelo que compraron la última vez, así que les ofrecimos un modelo 'mejorado'. Esto tenía un mejor ruido de fase de desplazamiento de 1 kHz (importante para las aplicaciones de comunicaciones a las que nos dirigíamos principalmente), al incluir un oscilador de cristal interno de 10 MHz, sincronizado en fase con el estándar externo, para limpiar el ruido estándar en ese desplazamiento.

Evaluaron este nuevo generador de señales y lo rechazaron. La deriva de CC en el detector de fase que bloqueaba el oscilador de limpieza de ruido significaba que tenían un seguimiento más deficiente de la fase de la portadora de salida entre varios generadores bloqueados en el mismo estándar de referencia.

Una vez que introdujimos un interruptor para omitir el nuevo filtro, compraron 24. Eso demuestra que la precisión de la fase de la portadora es realmente importante para ese método en particular.