Alternativa a la navegación GPS para aterrizaje vertical, especialmente en otros planetas

Aquí hay un par de preguntas, intentaré responderlas todas.

P1: ¿El GPS solo es válido por debajo de las órbitas GEO?

R1: En su mayor parte sí, porque la transmisión de los satélites GPS apunta a la tierra. (Corrección técnica menor: los satélites GPS no están, de hecho, en órbitas geosincrónicas. Están en órbitas MEO que están solo a mitad de camino de GEO por altitud)

Sin embargo, el transmisor GPS usa haces bastante anchos que se pueden escuchar desde el otro lado del planeta en sus lóbulos laterales (ver imagen). Estas transmisiones se pueden utilizar y se han utilizado para la localización en naves espaciales por encima de la constelación GPS (a veces, esto se denomina "solución de adentro hacia afuera"). Según tengo entendido, el cálculo de la posición del GPS debe cambiarse, pero por lo demás funciona bien y en realidad tiene una precisión bastante buena (décenas de metros). Vaya aquí para leer los detalles esenciales de cómo funciona esto.

P2: ¿Cuáles son las alternativas a la navegación basada en GPS por encima de GEO?

R2: Para operaciones cercanas a la Tierra, la solución de GPS anterior todavía funciona, sin embargo, la pérdida de intensidad de la señal anulará esa opción después de una cierta distancia de la Tierra.

Para las operaciones en el espacio libre, generalmente las naves espaciales usan el rango de velocidad y los ángulos para realizar la navegación. Puede leer sobre la navegación de tasa de rango de ESA aquí .

La navegación con velocidad de alcance puede ser lenta ya que debe 1) enviar una señal a la nave espacial y esperar a que regrese para obtener el tiempo de vuelo. 2) Calcular la posición a partir de esto y la tasa (velocidad) en función del desplazamiento Doppler medido y, finalmente, 3) enviar esta posición de regreso a la nave espacial. Este método funciona bien para cualquier cosa donde la dinámica ocurra en el transcurso de horas (básicamente cualquier órbita). Se rompe cuando intentas aterrizar en otro cuerpo extraterrestre como la luna o Marte.

En esos casos se usa algo llamado navegación relativa al terreno. Utiliza la visión por computadora para localizarse en función de lo que ve una cámara en comparación con lo que muestran los mapas allí. TRN es lo que usó la curiosidad para aterrizar en Marte

...con el fin de aterrizar verticalmente, especialmente en otros planetas, ¿cuál es la alternativa a la navegación GPS?

Reconocimiento e imágenes del terreno, y si hay una plataforma de aterrizaje, algunas balizas de radio y ópticas y posiblemente incluso una "X" grande u otro marcador reflectante (óptico) o topográfico (radar) si alguien tiene una empresa con una "X" en el nombre Ya puse una "X marca el lugar" allí arriba.

Óptico

La navegación relativa al terreno de la NASA explica el aterrizaje vertical de la misión Mars 2020 , que incluye el rover Perseverance y Mars Helicopter Ingenuity

Cómo funciona la navegación relativa al terreno

• Los orbitadores crean un mapa del lugar de aterrizaje, incluidos los peligros conocidos.
• El rover almacena este mapa en el "cerebro" de su computadora.
• Descendiendo en su paracaídas, el rover toma fotografías de la superficie que se aproxima rápidamente.
• Para averiguar hacia dónde se dirige, el rover compara rápidamente los puntos de referencia que "ve" en las imágenes con su mapa a bordo.
• Si se dirige hacia un terreno peligroso de hasta 985 pies (300 metros) de diámetro (aproximadamente el tamaño de dos campos de béisbol profesionales uno al lado del otro), el rover puede cambiar de dirección y desviarse hacia un terreno más seguro.

Hay mucha más información en esta respuesta sobre cómo y por qué se usa el procesamiento de imágenes en las naves espaciales. , pero aquí está el GIF de la NASA

arriba: Ilustración de navegación relativa al terreno. " La navegación relativa al terreno nos ayuda a aterrizar de manera segura en Marte, ¡especialmente cuando la tierra debajo está llena de peligros como pendientes pronunciadas y rocas grandes! Desde aquí .

Vea ¿Cómo flotaba, giraba y luego descendía Chang'e-4 con tanta gracia? (Video) para obtener más información sobre esto!

Radar

El radar puede ser útil para el reconocimiento del terreno y funciona de noche, pero el problema es que con una longitud de onda mucho más larga que la óptica, no se puede obtener una imagen directa muy fácilmente. En cambio, lo que generalmente se usa es un radar lateral, especialmente combinado con técnicas de apertura sintética . Dado que generalmente tiene que mirar hacia los lados para obtener una imagen del terreno con el radar, esto podría ser más útil cuando todavía tiene algo de movimiento hacia adelante para buscar un lugar de aterrizaje, pero el descenso vertical final realmente no puede usar un radar de vista lateral.

Para obtener más información, consulte ¿Cómo puede ICEYE-X1 capturar imágenes SAR 2D de alta resolución en "decenas de segundos"? y esta respuesta a Imágenes de radar detalladas de Tiangong-1; ¿Cómo lo hacen? de donde se entiende la equivalencia a mirar de reojo

...El movimiento del objetivo es lo que proporciona la línea de base.

balizas etc

Si se ha preparado un lugar de aterrizaje con anticipación, podría estar equipado con luces parpadeantes u otras balizas ópticas, y posiblemente también radiobalizas. Los primeros desarrollos del uso de la radio se detallan en el excelente Glide Path de Arthur C. Clarke .

Para ver un ejemplo de cómo se vería esto desde la órbita, vea ¿ Qué es esta enorme estructura de luz roja parpadeante en la Tierra vista desde la ISS en este video?

Lapso de tiempo de lanzamiento de YouTube Progress visto desde el espacio

inercial

Esta respuesta a Durante el descenso final, ¿cómo conocerá InSight los puntos cardinales para aterrizar con la orientación adecuada? empieza con

Mediante la integración de medidas inerciales, inicializadas a partir del seguimiento estelar final unos 20 o 30 minutos antes.

y aunque la pregunta y la respuesta están relacionadas con la actitud, un sistema de guía inercial proporcionará cierta información sobre la posición 3D actual y la velocidad relativa a la superficie. Combinadas con la Navegación relativa al terreno y constantemente calibradas con respecto a ella, las mediciones inerciales pueden proporcionar información crítica, especialmente si los gases de escape levantan una gran cantidad de polvo a medida que la nave se acerca a la superficie durante la fase de aterrizaje vertical.

Radar y rayos gamma para un aterrizaje suave

La sincronización de los pulsos del radar puede dar la distancia a la superficie con una precisión bastante alta, y esto podría ser importante para un aterrizaje suave. No tengo ninguna prueba, pero esperaría que los aterrizajes del Falcon-9 pudieran usar el radar para la proximidad a la superficie de aterrizaje como retroalimentación adicional para el estrangulamiento del motor, ya que necesitan un aterrizaje suave para evitar romperse una pierna .

• ¿Cuánta fuerza puede manejar una pierna de aterrizaje Falcon 9 ? (actualmente sin respuesta)

Algunas naves espaciales utilizan rayos gamma retrodispersados ​​de una fuente radiactiva para activar automáticamente la retropropulsión en la última fracción de segundo para que el aterrizaje sea más suave para los humanos. Para más sobre eso ver:

• ¿Cómo funciona un altímetro de rayos gamma? ¿Qué tipo de sensor se utiliza?
• Detección de terreno de aterrizaje Soyuz
• ¿Cómo detecta la New Shepard Crew Capsule la proximidad para activar la retropropulsión justo antes del impacto? (actualmente sin respuesta)

Para referencia:

GIF del aterrizaje de la Soyuz MS-08

Entonces, tienes básicamente 2 preguntas:

1.) aterrizaje vertical ... 2.) Navegación fuera de la tierra de influencia

Comencemos con 1.): Los módulos de aterrizaje extraterrestres típicos están equipados con un altímetro de radar:

• exomars 2016

Un altímetro de radar Doppler en el módulo de demostración de entrada, descenso y aterrizaje ExoMars 2016 Schiaparelli...

• Explorador de Marte

El radar-altímetro del módulo de aterrizaje...

• Apolo

... RADAR DE ATERRIZAJE DEL MÓDULO LUNAR ...

• también apolo

El Apollo LM tenía un radar altímetro

El altímetro de radar puede brindarle una altitud bastante precisa sobre el suelo Y, gracias al Doppler, también la velocidad que tiene en relación con el suelo.

El 2.) no es tan fácil: Navegación fuera de las tierras shere de influencia:

Por lo general, puede determinar bastante bien su actitud mediante rastreadores de estrellas. Básicamente, cámaras que miran estrellas específicas y te dicen en qué dirección están.

Debido a la larga duración típica de las misiones espaciales extraterrestres, la navegación inercial no es la primera opción por lo que acabas confiando en Isaak Newton:

Es común usar radares y telescopios terrestres para recopilar la mayor cantidad posible de mediciones sobre la nave espacial, luego las coloca en un software de determinación de órbita y el resultado es una órbita calculada/determinada. En la mayoría de los casos también se puede calcular la incertidumbre de la órbita determinada. este procedimiento se repite regularmente para que calcule la posición.

Telemetría láser, navegación estelar desde un telescopio aterrizado