El 22 de junio de 2019, JPL lanzará y probará la precisión de un reloj atómico a bordo. Su FAQ dice que mejorará la navegación interplanetaria porque para que la nave determine su posición, en lugar de medir cuánto tarda una señal de radio en ir de la Tierra a la nave y viceversa, ahora basta con una señal unidireccional. Obviamente, es útil reducir a la mitad una duración de varias horas.
Pero, ¿cómo puede una sola señal determinar la ubicación del barco? ¿Eso no dice qué tan lejos está la nave de la Tierra? ¿O son estos relojes tan precisos que medir las distancias de la nave hasta, digamos, Arecibo, Australia y Greenwich es suficiente para triangular su posición durante una inserción en órbita hasta Encelado?
Pero, ¿cómo puede una sola señal determinar la ubicación del barco? ¿Eso no dice qué tan lejos está la nave de la Tierra?
tl; dr: El reloj atómico aumenta la precisión de la medición e incluso podría permitir la determinación de la órbita unidireccional, pero la navegación todavía se realiza con alguna combinación de rango, tasa de rango, Delta-DOR y cálculo de efectos gravitacionales usando integración numérica, efemérides del sistema solar y otros modelos de fuerza relevantes para la trayectoria de la nave espacial.
La navegación de naves espaciales en el espacio profundo se realiza con varias herramientas. Tres de los principales son:
Range-Rate es una medida de los cambios de frecuencia de las señales emitidas desde un lugar en la Tierra y recibidas por la nave espacial (range-rate como en la tasa de cambio del rango, expresado en unidades de distancia dividida por un tiempo, típicamente km/s). Por lo general, se realiza de manera bidireccional, por lo que la nave espacial devolverá la misma señal en una forma de frecuencia coherente y se recibirá en la Tierra. Un reloj atómico permite mediciones de tasa de rango unidireccional porque la frecuencia de la señal generada a bordo de la nave espacial es extremadamente precisa y, por lo tanto, la medición del desplazamiento Doppler se debe principalmente a la velocidad relativa de la nave espacial en comparación con la estación terrestre. en lugar de deberse a una mala generación de señal a bordo de la nave espacial. De manera similar, un excelente reloj a bordo permite que la nave espacial discrimine con precisión los tonos de alcance enviados desde la estación terrestre: esto significa una lectura muy precisa de la información del tiempo de vuelo. Este artículo de octubre de 2020detalla cómo un reloj atómico integrado ayuda a determinar la órbita.
Una medición de tasa de rango a menudo se combina con una medición de rango, que es el tiempo de vuelo de una señal. La combinación de medición de rango y velocidad de rango a menudo se denomina Doppler de retardo en los sistemas de radar. Obtiene un rango del retraso y una tasa de cambio de rango (una velocidad unidimensional) del cambio Doppler.
Delta-DOR : es una medida unidireccional de señales emitidas desde una nave espacial y recibidas por dos estaciones terrestres en el espacio profundo muy separadas en la Tierra y la diferencia en los tiempos de llegada de la señal se mide con precisión (y se utiliza para calcular un rumbo). Esto se corrige utilizando información sobre los retrasos actuales debido a la atmósfera de la Tierra, obtenida al rastrear simultáneamente (desde cada ubicación terrestre) señales de radio de un cuásar (dentro de 10 grados de la misma dirección).
Integración numérica En la navegación de naves espaciales, usaría los dos métodos anteriores más simulaciones extremadamente precisas de la historia de la trayectoria de la nave espacial basadas en todas las fuerzas conocidas, gravitatorias y de otro tipo, para construir una imagen completa de la trayectoria de la nave espacial. Las masas y posiciones de todos los objetos grandes del sistema solar ya existen como efemérides y son entradas para dicho cálculo.
Entonces
¿Cómo ayuda un reloj atómico a bordo a la navegación interplanetaria?
La excelente respuesta de @DavidHammen explica cómo tener un reloj atómico a bordo de una nave espacial permite que la medición de la tasa de rango se realice de una manera en lugar de dos. Le recomiendo que lea la respuesta completa, pero brevemente, la nave espacial transmite una señal codificada con información de tiempo del reloj atómico. Estas señales se reciben en la Tierra y se comparan con el tiempo conocido aquí, y la diferencia, una vez corregida por los efectos relativistas, da la distancia. El desplazamiento Doppler de las señales de tiempo o la frecuencia (si está sincronizado con el reloj atómico) da la tasa o velocidad relativa.
usuario20636