¿Por qué se necesitaba el plato Green Bank de 100 m junto con el plato Goldstone de 70 m de DSN para detectar Chandrayaan-1 en órbita lunar?

La explicación tiene que ver con el funcionamiento de los transmisores de radar y el tiempo de viaje de la luz de ida y vuelta.

Un pulso de radar tarda unos 3 segundos en viajar de la Tierra a la Luna y viceversa. Los transmisores de radar planetario son de alta potencia; el transmisor Goldstone (a plena potencia) es de 500 kW, el transmisor de Arecibo es de casi 1000 kW. Por el contrario, el retorno del radar es bastante débil. Es difícil (esencialmente imposible) diseñar un sistema que pueda transmitir simultáneamente tanta potencia y recibir un eco débil. Solo una pequeña cantidad de la potencia transmitida tendría que filtrarse en el receptor para que inunde el eco recibido.

En consecuencia, si la configuración es monoestática (es decir, la misma antena transmite y recibe), el transmisor debe encenderse y apagarse. Cambiar el transmisor tan rápidamente puede dañar el transmisor o los componentes asociados.

Por el contrario, con una configuración biestática (es decir, una antena transmisora ​​y una antena receptora), el transmisor se puede dejar encendido y se pueden obtener pistas largas, que también pueden ser valiosas para generar una relación señal-ruido.

No sé nada de la actividad sobre la que preguntas, pero sí sé algo sobre el radar.

Todos los sistemas de radar con los que he trabajado utilizan una sola antena para transmitir y recibir. La potencia del transmisor es muy grande en comparación con el eco de retorno que debe recibirse, y el receptor, muy sensible, debe desconectarse de la antena cuando se genera el pulso del radar. A continuación, el receptor se conecta a la antena hasta el siguiente pulso. Esto lo realiza un duplexor , que en muchos radares consta de un tubo T/R .

Cambiar de la operación de transmisión a la de recepción lleva tiempo. Esto afecta al alcance mínimo del radar. Tal vez por eso fue necesaria una antena/receptor diferente.

Además, como señala Phiteros en un comentario, también podría ser necesario el tamaño de la antena receptora para obtener la sensibilidad necesaria.

Dado que la red del espacio profundo puede medir distancias en naves espaciales mucho más lejanas (decenas de miles de veces más lejos que la luna) por sí misma, ¿por qué era necesario usar un plato sin DSN no colocado para recibir señales en este caso?

El rango al que se refiere es el rango de radio cooperativo: el DSN envía una señal a la nave espacial, la nave espacial la recibe y la envía de vuelta con la máxima ganancia después de un tiempo predeterminado. Creo que la intensidad de la señal se reduce con 2r ² en este caso.

El alcance del radar, por el contrario, se basa en un eco de la señal transmitida, que es mucho más débil. La intensidad de la señal se reduce con r ⁴ .

Esto comenzó como un comentario sobre una de las respuestas ya proporcionadas, pero creció demasiado para permanecer así.

Hay una buena razón para recopilar y procesar datos de rango biestático incluso cuando no hay problemas para recopilar datos monoestáticos. Cuanto más tome --- en particular, cuantos más observadores biestáticos use, y mayores sean las diferencias en sus ubicaciones --- mayor será la diversidad geométrica en su conjunto de medidas, y los buenos algoritmos de posicionamiento más rápidos y precisos pueden encuentra la solución.

Un inconveniente del radar monoestático es que, si bien el alcance se determina bien, la posición angular no. La región de incertidumbre generalmente se describe como un "plato" o "panqueque", porque es una sección delgada de capa esférica que puede tener solo unos pocos metros de espesor pero varios kilómetros de ancho (similar a la relación de aspecto de una hoja de papel) . Esto es particularmente malo en rangos grandes, ya que la incertidumbre de la medición en las dos direcciones perpendiculares al rango son errores de ángulo , que crecen linealmente con la distancia cuando se convierten en errores de posición.

El procesamiento de datos de rango biestático conduce a regiones de incertidumbre de formas diferentes; todavía tienen forma de placa, pero ahora tienen una sección elipsoidal . Cuanto más separados están los dos radares, menos esférico se vuelve el elipsoide. Tener sitios biestáticos adicionales da elipsoides con direcciones de eje diferentes, lo cual es particularmente bueno cuando esos ejes son ortogonales.

Por qué esto realmente mejora algo depende de los ángulos en los que se cruzan las regiones de incertidumbre. Esto es difícil de visualizar, incluso con imágenes (ver enlace en la parte inferior), porque al principio no está claro por qué las imágenes tienen algo que ver con las matemáticas. La idea básica es que cualquier medida (de alcance, velocidad, ángulo o cualquier otra cosa) nos da una estimación de un volumen en el que es más probable que se encuentre el objetivo (dentro de una confianza nominal, como 50% o 95%). Para estimar dónde está realmente el objetivo, realice varias mediciones diferentes, conviértalas en volúmenes de incertidumbre (la versión 3D de un "intervalo de confianza"), interséctelos entre sí y lo más probable es que el objetivo esté cerca del centro del volumen. todos esos volúmenes de entrada tienen en común.

El problema con el alcance monoestático, ya sea con reflejos de radar o con señales de tiempo transpondidas, es que las superficies dadas por mediciones repetidas no cambian lo suficiente. Tres panqueques de tres ubicaciones monoestáticas diferentes con líneas de visión mutuamente ortogonales se cruzan en un cubo, cada lado del cual es tan grueso como la incertidumbre del rango. La incertidumbre de la medición del ángulo ha desaparecido, porque la restricción de que el objetivo sea consistente con los tres informes llevó al algoritmo a descartar los datos de baja calidad, ya que tenía mejores estimaciones para usar de las otras mediciones. Sin embargo, tres panqueques del mismo sitio en momentos ligeramente diferentes son casi tres copias del mismo panqueque, por lo que el volumen en el que se cruzan es casi solo el panqueque con el que comenzaste. Las observaciones posteriores fueron redundantes entre sí, porque se realizaron a lo largo de la misma línea de visión; cuanto mayor sea la diferencia en la dirección de la línea de visión, mejor se podrá hacer uso de cada observación adicional.

Lo mismo sucede cuando intenta estimar la órbita de un satélite geosíncrono utilizando el retraso medido en la señal de telemetría con etiqueta de tiempo: obtiene una buena estimación solo en la dirección en la que está mirando, que generalmente es casi todo radial, y tiene muy poca sensibilidad a los errores en las direcciones dentro y fuera de la derrota. Sin embargo, medir la distancia entre dos estaciones terrestres muy separadas hace que sea mucho más fácil resolver los errores en las direcciones distintas de la distancia. No cambian la resolución de rango, pero sí significan que puedes usar la resolución de rango en más de una dirección, y no tienes que quedarte con la resolución angular de calidad mucho más baja.

Todo lo que he dicho hasta ahora es cierto con solo una pequeña modificación para la medición óptica: allí, está muy seguro de las coordenadas angulares pero casi no tiene idea de cuál podría ser el rango, por lo que sus volúmenes de incertidumbre son delgados pero muy largos (generalmente descritos como lápices o pajitas de refresco). Tienes el mismo problema de intersectar tres popotes que casi comparten un eje y casi no te da más información que cada popote solo, pero también la misma ventaja de que tres popotes con ejes mutuamente ortogonales dan un pequeño volumen casi cúbico que tiene tu buena resolución en todos direcciones, no sólo algunas. Si tiene una medición tanto óptica como de radar del mismo sitio, la intersección de un panqueque con una pajilla que comparte su eje es un volumen diminuto, por lo que ha logrado diversidad geométrica por medio de la diversidad de tipo de medición.

Cuando se aplica a los sistemas de navegación, este tema a menudo se denomina dilución geométrica de precisión (GDOP). Siempre es importante tener en cuenta que la geometría en cuestión no es una propiedad solo de las ubicaciones de las estaciones receptoras entre sí, es la geometría de las formas en que las superficies curvas de estimación de medición incierta se cruzan entre sí. , que depende también del tipo de mediciones que se realicen, la ubicación del objetivo y, a veces, las velocidades de todos los objetos involucrados. Una mejor fuente de imágenes para esto que el enlace de Wikipedia anterior es la documentación animada de Matlab (avíseme si este enlace es solo para suscriptores)

Mencioné la velocidad aquí porque ambos gráficos de medición que se muestran en la pregunta tienen un desplazamiento Doppler en el eje horizontal. Al procesar los retornos de radar de un objeto que se mueve rápidamente, no puede evitar notar que tiene que aplicar un cambio de frecuencia significativo para recibir el retorno. Siempre que el objeto en movimiento se mueva rápidamente con respecto a la Luna (no "selenosincrónico"), todo el retorno de la Luna cae en contenedores Doppler que simplemente tira, por lo que es fácil de separar incluso para el procesamiento monoestático. Lo que se vuelve mucho más interesante es la forma del volumen que corresponde a cada una de las mediciones Doppler. Son mucho más complicados y no tienen nombres estándar, porque las ecuaciones eran demasiado difíciles de abordar para los geómetras clásicos. Elipsoides, hiperboloides, y cosas relacionadas son las soluciones de las ecuaciones de segundo grado, pero el procesamiento de la diferencia de frecuencia tiene que resolver las intersecciones entre las soluciones de las ecuaciones de octavo grado, dando saltos y ondulaciones adicionales y, a veces, bits puntiagudos. Independientemente de la forma, las mediciones monoestáticas repetidas en tiempos muy próximos darán solo un pequeño cambio cada vez, por lo que esa técnica es complicada y es posible que deba esperar mucho tiempo para obtener un cambio suficiente en el volumen de medición. Si, por otro lado, procesa tanto el rango (distancia, a través del tiempo de viaje) como la tasa de rango (velocidad, a través del desplazamiento Doppler) simultáneamente, las superficies son tan diferentes que a menudo puede hacerlo de forma monoestática en un solo momento, al igual que con el caso de rango de radar y ángulos ópticos simultáneos. pero el procesamiento de la diferencia de frecuencia tiene que resolver las intersecciones entre las soluciones de las ecuaciones de octavo grado, dando saltos y ondulaciones adicionales y, a veces, bits puntiagudos. Independientemente de la forma, las mediciones monoestáticas repetidas en tiempos muy próximos darán solo un pequeño cambio cada vez, por lo que esa técnica es complicada y es posible que deba esperar mucho tiempo para obtener un cambio suficiente en el volumen de medición. Si, por otro lado, procesa tanto el rango (distancia, a través del tiempo de viaje) como la tasa de rango (velocidad, a través del desplazamiento Doppler) simultáneamente, las superficies son tan diferentes que a menudo puede hacerlo de forma monoestática en un solo momento, al igual que con el caso de rango de radar y ángulos ópticos simultáneos. pero el procesamiento de la diferencia de frecuencia tiene que resolver las intersecciones entre las soluciones de las ecuaciones de octavo grado, dando saltos y ondulaciones adicionales y, a veces, bits puntiagudos. Independientemente de la forma, las mediciones monoestáticas repetidas en tiempos muy próximos darán solo un pequeño cambio cada vez, por lo que esa técnica es complicada y es posible que deba esperar mucho tiempo para obtener un cambio suficiente en el volumen de medición. Si, por otro lado, procesa tanto el rango (distancia, a través del tiempo de viaje) como la tasa de rango (velocidad, a través del desplazamiento Doppler) simultáneamente, las superficies son tan diferentes que a menudo puede hacerlo de forma monoestática en un solo momento, al igual que con el caso de rango de radar y ángulos ópticos simultáneos. las mediciones monoestáticas repetidas en tiempos muy cercanos darán solo un pequeño cambio cada vez, por lo que esa técnica es complicada y es posible que deba esperar mucho tiempo para obtener un cambio suficiente en el volumen de medición. Si, por otro lado, procesa tanto el rango (distancia, a través del tiempo de viaje) como la tasa de rango (velocidad, a través del desplazamiento Doppler) simultáneamente, las superficies son tan diferentes que a menudo puede hacerlo de forma monoestática en un solo momento, al igual que con el caso de rango de radar y ángulos ópticos simultáneos. las mediciones monoestáticas repetidas en tiempos muy cercanos darán solo un pequeño cambio cada vez, por lo que esa técnica es complicada y es posible que deba esperar mucho tiempo para obtener un cambio suficiente en el volumen de medición. Si, por otro lado, procesa tanto el rango (distancia, a través del tiempo de viaje) como la tasa de rango (velocidad, a través del desplazamiento Doppler) simultáneamente, las superficies son tan diferentes que a menudo puede hacerlo de forma monoestática en un solo momento, al igual que con el caso de rango de radar y ángulos ópticos simultáneos.

Ahora, dado que el emisor de radar en este ejemplo es una antena de la Red del Espacio Profundo, debo decir algunas palabras sobre la Voyager y Chandrayaan. Como se describe en esta preguntasobre la "medición de desplazamiento Doppler de tres vías", la Voyager está tan lejos que incluso a la velocidad de la luz, la señal de radio tarda tanto en llegar y regresar que el sitio se ha movido significativamente. Esto nos causa algunos problemas incluso al definir "monoestático", porque si su sitio físico ve a la Voyager en dos partes del cielo mediblemente diferentes en el envío que en la recepción, porque realmente se ha movido, la geometría de la colección realmente es biestática, por lo que está obligado a procesar la devolución de esa manera y obtener los beneficios incluso de su único sitio. Sin embargo, nuevamente dado que "la Voyager está tan lejos", incluso el ancho total de la Tierra subtiende un ángulo muy pequeño desde el punto de vista del satélite, por lo que la cantidad de diversidad geométrica que se aplica al cálculo se reduce considerablemente.