Navegando en el espacio solo con cámaras

edición 2: acabo de encontrarme con esta página; Mejora del registro de imágenes EPIC/DSCOVR por medio de detección automática de costas y este artículo Mejora del registro de imágenes EPIC/DSCOVR por medio de detección automática de costas . Si bien no se aplica directamente aquí, ciertamente la detección automática de la costa u otra detección de características de la superficie podría ser útil si se puede colocar en una nave espacial.

edición 1: creo que la técnica de aterrizaje del Mars 2020 Rover se ha discutido en una respuesta o pregunta aquí, pero no puedo encontrarla en este momento. Aquí hay un enlace rápido, Spaceflight Insider .

De hecho, una nave espacial en órbita terrestre puede determinar su propia posición en relación con el centro de la Tierra (a varios kilómetros, no "exactamente") utilizando imágenes de terminadores y estrellas, y un reloj que mide el tiempo transcurrido. Solo responderé el aspecto conceptual de su pregunta, suponiendo que su nave espacial tenga electrónica, imágenes y computación modernas (digamos un cubesat 3U realmente agradable, "el precio no es un problema") pero no tiene un enlace terrestre para enviar datos de ubicación a ella desde la Tierra, ni tienen GPS.

Si tiene varias correcciones espaciadas alrededor del terminador de la Tierra y conoce la forma de la Tierra, puede obtener la distancia desde la Tierra y la dirección del centro de la Tierra. Dado que la atmósfera tiene, digamos, 5 km de "ruido" (nubes), no será perfecto, pero una medida dada debería ser confiable en aproximadamente 1 parte por mil en distancia.

Combine el vector (dirección más distancia) hacia el centro de la Tierra con la actitud de la nave espacial con respecto a las estrellas utilizando dos fijaciones de cámara de estrellas (solo dirección, por supuesto), y podrá determinar su ubicación 3D en el espacio con respecto al centro geométrico de la Tierra. a eso 1 parte por mil; 7km en LEO o 40 km en GEO por ejemplo.

Sin embargo, siga realizando estas mediciones durante un período de tiempo de una órbita, y habrá medido su distancia con mucha más precisión utilizando un modelo Kepleriano (o mejor) y la masa conocida de la Tierra, y habrá reducido sustancialmente la incertidumbre. (Cuanto más muestree el terminador, más las nubes tenderán a promediarse también). Esto solo depende de que su reloj le proporcione el tiempo transcurrido entre las mediciones, no necesariamente la hora y la fecha absolutas.

Tan pronto como esté midiendo aproximadamente el período de una órbita, solo necesita la dirección hacia el centro de la Tierra, no el tamaño. Como la dirección de la Tierra con respecto a las estrellas se realiza un seguimiento y una marca de tiempo, puede ajustarla con un modelo para todos los parámetros orbitales, excentricidad, inclinación, nodos, etc.

Todo esto supone que tiene cámaras bien calibradas y que se conocen las orientaciones del campo de visión de cada cámara con respecto a todas las demás cámaras, o se puede calibrar de forma cruzada en tiempo real, dependiendo de cómo gire la nave espacial y qué tan dedicada o flexible sea cada cámara. . También asume que las cámaras están bien construidas para manejar imágenes de estrellas o terminadores, no se queman con el Sol (las cámaras de estrellas a menudo tienen obturadores de seguridad) y puede administrar la rotación (actitud) de su nave espacial lo suficiente como para asegurarse de que las cámaras correctas apuntan a las cosas correctas.

Tener correcciones en el Sol y la Luna lo ayudará a calcular la posición relativa de la Tierra dentro del baricentro del sistema solar si lo necesita. Por supuesto, si tiene una efemérides y su reloj sabe la hora y la fecha reales, ya puede tener eso.