Dado que L2 no tiene un marcador visible, ¿cómo determinará el control terrestre de James Webb su posición relativa y velocidad para mantenerse en posición?

James Webb estará en una órbita de halo, manteniendo la estación alrededor del punto Sol-Tierra L2. Esto significa que necesita monitorear su posición con respecto a L2, para fines de mantenimiento periódico de la estación.

Pero L2 no es un objeto en el espacio que esté orbitando. Su camino se describe mejor como un camino cíclico alrededor de un punto que se mueve a través del espacio, que no tiene un marcador visible, y se identifica por su propiedad de ser un punto de silla gravitacional. Pero esa característica no tiene ninguna marca física prominente específica para identificarla, y la gravedad probablemente tampoco cambie de forma masiva en la silla de montar.

Desde casi medio millón de millas de distancia, no tengo claro que el gradiente gravitatorio en JWST sea suficiente para identificar con precisión dónde está, en relación con L2, lo suficiente para mantener la estación en su órbita. Tal vez solo use detectores muy precisos del campo gravitatorio local, pero cómo obtiene la estación manteniendo los datos de ajuste solo de eso todavía no está claro, si es así.

Entonces, ¿cómo identifica JWST (o más exactamente su control de tierra) las correcciones de mantenimiento de la estación?

Actualización: para aclarar, principalmente estoy buscando respuestas con una lista de "(elemento realmente medido) dentro de (X cantidad/%) por (detalles de la técnica/método y cómo se logró)" , y cómo se combinan. se utiliza para producir una ubicación lo suficientemente precisa como L2. Además de cualquier detalle interesante/relevante al respecto, o sobre las técnicas utilizadas.

Actualización 2: aclarando "control de tierra", quise decir JW en general, sin asumir en absoluto que se hace a bordo del observatorio. Eso no estaba claro, así que lo arreglé.

¿Cómo detectas el campo gravitacional local cuando estás en caída libre?
Ni idea. Si tuviera que adivinar, se puede hacer indirectamente (¿medidas precisas de movimiento con objetos conocidos o sus distancias?), Pero honestamente, no tengo idea de qué método usa JW, de ahí por qué hice la pregunta.
@PM2Ring Dentro de un campo lo suficientemente fuerte, un conjunto de acelerómetros puede detectar las fuerzas de marea (diferencia en la aceleración entre partes distantes de la nave: las que están "por encima de la altitud orbital adecuada" serán atraídas hacia el planeta, las que están "abajo" serán empujadas lejos Conociendo la masa del planeta, puede determinar la altitud a partir del diferencial de fuerza. Sin embargo, irrelevante en L2, la diferencia por debajo de los valores medibles.
Además: JWST siempre debe permanecer en el tamaño de la tierra de la silla L2 ya que los propulsores solo apuntan hacia el sol. Además, la radiación solar agrega una fuerza significativa que se aleja del sol y el mantenimiento de la estación JWST debe permanecer en el lado de la Tierra de la silla L2 teniendo en cuenta también la presión de la radiación solar. Por lo tanto, determinar el mantenimiento óptimo de la estación es mucho más complicado...
@PM2Ring Los dispositivos que tenemos son lo suficientemente buenos para medir la aceleración de las mareas en LEO con gran precisión, y los dedicados incluso obtendrán resultados en órbita solar a 1AU. Sin embargo, lo que pasa con los puntos de Lagrangian es que el gradiente gravitacional se vuelve completamente plano allí. En la órbita del halo de Webb, ya no es nada de lo que es en L2, pero sigue siendo insuficiente para ser útil.
@SF. Buen punto. :) Y, de hecho, mi código en space.stackexchange.com/a/57679/38535 ubica L1, L2 y L3 al encontrar los ceros de la derivada del potencial efectivo en el marco giratorio.
Los satélites que se encuentran en la órbita terrestre no se encuentran en una posición mucho mejor para determinar su posición y velocidad, incluso si la Tierra es prácticamente visible.
Si choca contra una tetera , probablemente haya ido demasiado lejos.
la tetera ya no está... ahora está en un garaje con el dragón de Sagan.
Incluso con sus actualizaciones, creo que mi respuesta aún responde a sus preguntas con Lo que usa el equipo de dinámica de vuelo para estimar el estado de traslación (posición y velocidad) del JWST es un algoritmo de determinación de órbita por mínimos cuadrados por lotes basado en un historial de rango y tasa de rango lecturas proporcionadas por la Red de Espacio Profundo de la NASA y un historial de descarga de impulso y disparos de propulsores de maniobra orbital.
Agregaré estimaciones de la presión de la radiación solar a eso.

Respuestas (2)

Entonces, ¿cómo identifica JWST las correcciones de mantenimiento de estación?

no lo hace

Si bien el JWST sabe hacia dónde apunta, no sabe dónde está en el espacio. No es necesario. El Equipo de Dinámica de Vuelo del JWST, que opera desde el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Maryland, mantiene una estimación actualizada regularmente de dónde se encuentra el JWST en el espacio. Esta efemérides se basa en las lecturas de rango y velocidad de rango proporcionadas por la Red de espacio profundo (DSN) de la NASA, además del conocimiento de delta Vs de la descarga de impulso anterior y las maniobras de corrección de órbita anteriores.

Es el equipo de dinámica de vuelo del JWST el que calcula las maniobras delta V ocasionales necesarias para mantener el JWST en su pseudoórbita sobre el punto Sol-Tierra L2. El JWST en sí mismo simplemente ejecuta esos comandos: apunta en tal o cual dirección y dispara hasta que haya pasado una cantidad de tiempo ordenada o hasta que se haya logrado algún delta-V ordenado.

Este último (lograr el delta V comandado) requiere acelerómetros. No sé si el JWST tiene acelerómetros. Durante los últimos 20 años aparentemente ha habido debates internos sobre si el JWST necesita acelerómetros para este propósito. No necesita acelerómetros para la autonavegación porque el JWST no hace eso.

Lo que utiliza el equipo de dinámica de vuelo para estimar el estado de traslación (posición y velocidad) del JWST es un algoritmo de determinación de órbita por mínimos cuadrados por lotes basado en un historial de lecturas de rango y tasa de rango proporcionadas por la Red de espacio profundo de la NASA, un historial de descarga de momento y disparos de propulsores de maniobra orbital y estimaciones de la presión de radiación solar.

Esta es una respuesta correcta. Usando radiotelescopios en tierra y un transpondedor en el JWST, es posible medir el alcance del satélite con una precisión muy alta (precisión de hasta un metro) y la tasa de alcance (velocidad en comparación con la tierra) hasta milímetro por segundo. Si es necesario (muy rara vez), los radiotelescopios se pueden usar en pares para obtener la dirección con alta precisión. La mayor parte del resto son simplemente "leyes" mecánicas de Newton y un poco de matemáticas. El satélite en sí tiene muy poco conocimiento de dónde está, pero puede apuntar el telescopio usando rastreadores de estrellas.
@ghellquist ¿No está el JWST en la sombra de radio de la luna desde la Tierra? (Honestamente, no lo sé, pero L2 para mi ingenuo mapa mental parece que debería serlo).
@Yakk, está orbitando alrededor de Earth-Sun L2, no Earth-Moon L2. La sombra de radio de la Luna solo barre la trayectoria orbital dos veces al mes, y dado que JWST tiene un período pseudoorbital de seis meses, no estará en la sombra las dos veces. (Si el equipo JWST ha cronometrado las cosas correctamente, nunca estará en la sombra de radio de la Luna).
@mark oh, eso fue un largo malentendido de mi parte. Earth sun L2 tiene mucho más sentido si quieres mantenerlo fresco. ¡Ahora me sorprende lo cerca que está!
@Mark: la órbita del halo JWST es tan grande que cuando se mira desde L2 hacia la tierra, la órbita lunar completa es menos de la mitad del ancho del halo. JWST NUNCA estará a la sombra de la luna. Este fue un requisito principal del diseño de la órbita del halo del JWST. No se requiere coordinación con la órbita lunar.

Matemáticas.

JWST utilizará las técnicas generales para ubicarse en el espacio : desplazamiento Doppler, rastreadores de estrellas, etc., lo mismo que usan las sondas del espacio profundo. Conociendo la posición del Sol, la posición de la Tierra y sus masas, conoces la posición de L2. Conociendo la posición de JWST a partir de su instrumentación, puede calcular cuál es en relación con L2.

Pero parece que necesita saber su posición con mucha más precisión que la mayoría de las sondas del espacio profundo, para tomar decisiones precisas sobre el mantenimiento de la estación y las pequeñas correcciones delta-v (¿y los rastreadores de estrellas presumiblemente dependen del paralaje y tienen una precisión fina limitada? La radio Doppler solo obtiene ¿usted 1D no 3D?), y también está mucho más lejos de la tierra y la luna y otros objetos de referencia útiles cercanos que los objetos locales de la tierra podrían usar.
La radio @Stilez Doppler le da 1D cuando va desde 1 estación terrestre, 3D si va desde 3 alrededor del mundo. Y es excepcionalmente preciso: al usar el tiempo, puede reducir la precisión a un par de metros, pero a partir de ahí, al usar la medición de cambio de fase, puede reducirla a centímetros. No funciona tan bien para "3D" para sondas en el Cinturón de Kuiper, pero a distancias como L2, el paralaje entre un lado de la Tierra y el otro es más que suficiente para mantener la sonda en su órbita. No importa que las órbitas no sean tan sensibles, que Webb se desvíe un par de kilómetros de su curso todavía no es un problema.
@Stilez Con respecto a " Pero parece que necesita saber su posición con mucha más precisión que la mayoría de las sondas del espacio profundo ... ": Ese no es el caso. El JWST no sabe nada de <<improperio eliminado>> con respecto a dónde se encuentra en el espacio. Es el Equipo de Dinámica de Vuelo del JWST que trabaja en el Centro de Vuelo Espacial Goddard en Maryland (más todos los programas que usa esa gente) quien sabe dónde está el JWST en el espacio, más o menos unas cuantas decenas de kilómetros.
@RichardHammen: cuando digo "necesita saber", me refiero al personal de tierra, no al observatorio en sí. Lo siento, pensé que estaba implícito. Pero mi pregunta es qué datos de medición exactos y qué precisión se logra con los datos de medición que se utilizan para lograr "saber dónde está más o menos unas pocas decenas de KM" con respecto a L2. Así que estoy buscando respuestas con una lista de "<elemento realmente medido> dentro de <X cantidad/%> por <técnica/método>", etc., y cómo se combinan/utilizan para producir una ubicación lo suficientemente precisa como L2
@SF - gracias, comentario útil. Es complicado sin algunos antecedentes, saber qué se puede medir con qué precisión y con qué facilidad. Pero la razón por la que dije 1D fue el pensamiento de que Doppler te da la velocidad axial relativa (hacia / lejos de la estación) no la posición relativa . Supongo que los relojes atómicos y el tiempo de respuesta fijo también podrían reducir el tiempo de la señal a una distancia corta.
@Stilez No existen datos de medición exactos. Cada medición tiene errores e incertidumbres. El rango y la tasa de rango (doppler) brindan dos mediciones de las seis necesarias para especificar el estado de posición y velocidad. Sin embargo, docenas de lecturas, o docenas de docenas de lecturas (o más), junto con las matemáticas dan como resultado un sistema sobreespecificado. Eso es bueno. Permite que el estimador se concentre en la solución de mejor ajuste.
El tiempo de "ping de ida y vuelta" de @Stilez proporciona los primeros datos de distancia aproximada. El cambio Doppler da velocidad. El cambio de fase brinda una medición precisa de la distancia dentro de ese viaje de ida y vuelta (con las velocidades involucradas, el cambio Doppler no lo estropea). Envíe una onda de 20 m de longitud de onda y obtenga la respuesta; usando el tiempo de respuesta obtienes que está a unos 1.000.000 de metros de distancia; con la medición del cambio de fase, verá que la respuesta se retrasa 0,521 pi con respecto a la fuente, por lo que está a +0,521 * 10 m (la mitad de la longitud de onda) = 1 000 005,21 metros de distancia. Use una frecuencia más alta para obtener una medición de cambio más fina.
Dado que L2 no tiene un marcador visible, ¿cómo determinará el control terrestre de James Webb su posición relativa y velocidad para mantenerse en posición?
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