¿Cómo (diablos) se puede conocer la órbita de 2014 MU69 lo suficientemente bien como para un sobrevuelo cercano de New Horizons?

El objeto 2014 MU69 es mucho más pequeño y tenue que Plutón. Incluso a medida que New Horizons se acerca, será mucho más difícil para su generador de imágenes de largo alcance CCD refrigerado LORRI con una apertura de 8,2 pulgadas para fijarlo hasta que esté bastante cerca.

EDITAR:

New Horizons hizo su primer avistamiento de Plutón nueve años antes de que llegara a Plutón. MU69 será aproximadamente 100,000 veces más tenue, lo que significa que hará su primer avistamiento como nueve días antes de llegar allí (aproximadamente) (en realidad, podrían ser algunos meses, vea esto ). Por lo tanto, cualquier navegación que utilice el sistema de imágenes de la nave espacial puede tener una estrecha ventana de oportunidad para ser útil. Es por eso que creo que esta pregunta es particularmente interesante: ¿existe un plan para usar los datos de imágenes de la nave espacial de alguna manera para guiar el sobrevuelo, o se hará solo con la astrometría de MU69 del Vecindario de la Tierra y el rango/tasa de radar de New Horizons? más datos de su última dirección conocida, Plutón/Caronte?

La órbita de Plutón se ha monitoreado durante casi un siglo, mientras que la de MU69 de 2014 solo durante unos tres años, aunque con tres años de astrometría de precisión limitada por difracción del Hubble que puede ser muy útil.

Pero pasar de puntos en una imagen a una verdadera órbita tridimensional y vectores de estado de seis dimensiones no es sencillo. Parece que podría haber una envolvente más grande en distancia/excentricidad que podría generar el mismo movimiento aparente.

Pregunta: ¿Cómo se puede conocer la órbita de 2014 MU69 lo suficientemente bien como para un sobrevuelo cercano de New Horizons?

También me pregunto qué tan bien se ha trazado la órbita real de 2014 MU69, y qué tan cerca se espera que esté el sobrevuelo del objetivo . ¿Están simplemente apuntando a un parámetro de impacto cero (directo) y dejando que la incertidumbre determine la distancia, o están apuntando un poco hacia un lado? Pero estos son secundarios y preguntaré por separado si es necesario.

                       Pluto       2014 MU69
                      -------      ---------
Diameter              2380 km       ~35 km
Albedo               ~0.58          ~0.04-0.14?
distance to sun       5.0E+09 km     6.5E+09 km
Vis mag from Earth     ~15          ~ 27
Years of observation    87 yr       ~ 3 yr

En el momento del sobrevuelo:

  • velocidad relativa ~ 50.000 km/h
  • distancia a la tierra ~ 6,650,000,000 km
  • radio de ida y vuelta ~ 12,3 horas

2014 MU69: http://www.minorplanetcenter.net/db_search/show_object?object_id=486958

La pregunta ¿Qué tan cerca de 2014 MU₆₉ puede llegar New Horizons? está relacionado, y hay sugerencias allí de que la distancia de aproximación más cercana podría ser de unos pocos miles de km. No puedo imaginar que eso sea posible basado solo en observaciones basadas en la Tierra o LEO.
El centro del planeta menor le da una puntuación U de 2, lo que desde mi punto de vista significa que, en su rango, la posición predicha podría estar desviada por 10,000 km durante una década. Eso parece lo suficientemente bueno como para organizar el sobrevuelo. El objeto es pequeño y tenue, pero la astrometría del Hubble debe haber tenido suficiente precisión (el paralaje también estaría disponible) para obtener los parámetros orbitales con esa precisión.
@antlersoft ¿Cuál sería la incertidumbre actual en la posición de MU69, hoy, sin ninguna extrapolación al futuro? No es cero, ¿verdad? La escorrentía es un error unidimensional en órbita y no contiene explícitamente errores de rango o fuera del plano. Además, no puedo hacerlo hoy, pero probablemente haré una pregunta por separado sobre la incertidumbre y la puntuación. Te dejaré un mensaje aquí cuando lo haga. ¡Gracias! (nota personal: minorplanetcenter.net/iau/info/UValue.html )
Nota: la velocidad orbital de MU69 es de solo ~4,47 km/s. New Horizons se mueve a 14,3 km/s. Las correcciones de curso para entrar en la trayectoria del encuentro no son tan difíciles con estos parámetros, incluso con datos incompletos.
@SF. simplemente mencionar una velocidad relativa no es una forma de evaluar el error en la distancia de aproximación más cercana. Necesita al menos la diferencia en dos vectores de estado en un momento dado; eso es al menos seis números independientes, no uno.
@uhoh: esto da un delta-V directo en el peor de los casos para hacer un sobrevuelo con ambas posiciones, sin embargo, y con una estimación del tiempo de sobrevuelo ya que el objetivo es visible, da una buena estimación de delta-V frente a la distancia por la cual el sobrevuelo puede ser mejorado.
@SF. esta pregunta se trata de navegación, no de propulsión: "... ¿se puede conocer la órbita de 2014 MU69 lo suficientemente bien ..." Si no tiene los vectores de estado con suficiente anticipación, la propulsión por sí sola no compensará la falta de información (mejor redacción).
Si conoce los vectores de estado con 9 días de anticipación, la propulsión decide cuánto puede corregir la trayectoria hasta el momento de aproximación más cercano. Si su encuentro está dentro de los 100.000 km, con una maniobra de 1,5 km/s con 8 días de antelación, puede estrellar la sonda contra el objetivo.
@SF. ¿Puedes escribir eso como respuesta en lugar de todos estos comentarios? Recuerde, solo ver un "punto" débil nueve días después no es lo mismo que tener un vector de estado. No solo "apuntas" a ello, necesitas una distancia y una tasa de cierre. Estoy preguntando cómo se hará esto realmente en este caso particular.
@pericynthion de su enlace: "NOTA: el método de Gauss es una determinación de órbita preliminar, con énfasis en preliminar". Es la parte "... bastante ..." en la que me he centrado aquí, en este caso particular. La determinación de la órbita solo puede ser tan buena como la incertidumbre en las mediciones utilizadas.
@uhoh: Eso es todo: no necesita distancia ni velocidad de cierre, solo 2 de 3 componentes de posición y velocidad. 2 imágenes proporcionarán el primer eje de los dos. Realice una maniobra de frenado a lo largo de este eje y tome la tercera imagen, para obtener el segundo eje. Realice otra maniobra que reduzca a cero la velocidad relativa en estos dos ejes. El tercer eje permanece sin restricciones y la velocidad y el tiempo de sobrevuelo siguen siendo desconocidos, pero sucederán. Una vez que los cambios de brillo se vuelven significativos, la velocidad relativa se vuelve medible.
Antiguo método de KSP de encuentros oculares, de los tiempos en que los kerbals no tenían bola de navegación o nodos de maniobra: apunte al objetivo, espere un momento, vea en qué dirección se movió el objetivo sobre su pantalla. Grabe a lo largo de ese eje, vea cómo afectó la velocidad de movimiento del objetivo en su pantalla. Continúe quemando hasta que el objetivo deje de deambular por su pantalla. Siempre que la curvatura de las órbitas no estropee demasiado tu trayectoria, tienes un encuentro.
JPL espera poder obtener una imagen de MU69 usando LORRI con unos 3 meses de anticipación: jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA21588
@SF. eso puede ser cierto para líneas rectas en el espacio vacío sin fuentes de gravedad, o dos barcos que se mueven a velocidades constantes en el océano, pero no necesariamente cierto para una elipse y una hipérbola en 3D. Si puede vincular o mostrar las matemáticas que se aplican a este ejemplo específico, ¡sería genial!
@Hobbes excelente: hice una nota en la edición, ¡gracias!
@uhoh, pero teniendo en cuenta la breve escala de tiempo y el gran radio orbital, la aproximación de moverse en línea recta no está muy lejos de
@SF. ¿Por qué New Horizons no tiene una función de seguimiento? Podría beneficiarse de una discusión como esta. Creo que es una buena pregunta (especialmente la primera pregunta de un nuevo usuario) pero aún no tiene ninguna actividad real (y solo un voto).

Respuestas (2)

Los largos cálculos orbitales de la órbita de Plutón se realizaron principalmente para ahorrar combustible y, en segundo lugar, para apuntar a una región muy estrecha. La misión tenía la intención de volar entre el Sol y Plutón y Caronte (y la Tierra y Plutón y Caronte también), lo que solo podía hacerse con un conocimiento orbital muy cuidadoso.

Hay una gran cantidad de combustible reservado para la misión MU69 de 2014. Todavía están tratando de determinar qué tan cerca se acercarán, pero será entre 3000 km y 20000 km . Si bien no dudo que les encantaría estar entre el Sol y la Tierra y este objeto como antes, no es una prioridad tan alta.

Hubble continuará realizando observaciones, al igual que los telescopios terrestres, para ayudar a refinar la próxima misión.

Además, New Horizons usará su cámara para fotografiarlo y refinar la trayectoria, como lo hizo con Plutón.

Apuntar de frente sería algo malo, aunque para esta etapa temprana de la planificación, sería aceptable. Apuesto a que están apuntando directamente hacia él ahora, pero se ajustarán a un lado cuando la fecha esté más cerca (No hay fuente, pero tiene sentido) Apuntar directamente a él significaría que no sabrías de qué lado está el objeto en realidad, tomar fotografías muy difícil!

EDITAR: De hecho, hice un video sobre esto sin recordar que había respondido esto aquí. En pocas palabras, muchas observaciones con Hubble, usando ocultaciones estelares, usando bases de datos de estrellas para tener en cuenta el movimiento estelar que hace cada estrella. Agregando algunas observaciones de New Horizons, ¡y tenemos una trayectoria lo suficientemente buena para un sobrevuelo!

¿Crees que elegirán un número entre 3000 y 20 000 km, o es esa la incertidumbre de 3 sigma? Realmente estoy buscando los métodos que se utilizarán para conocer la órbita de MU69 (también de New Horizon) con la precisión suficiente para apuntar a unos pocos miles de kilómetros a una distancia tan increíble y velocidades relativas (alrededor de 50,000kph y 6,650,000,000km)
Depende de la incertidumbre final que tengan, que no creo que sepan en este momento. Sospecho que tendrán una incertidumbre de unos 1000 km al final, y la mayor parte de la distancia final se deberá a los objetivos científicos.
...y un tiempo de luz de ida y vuelta de 12,3 horas.
Eso realmente no influirá en dónde terminará en absoluto, además de dificultar la planificación...
Mi pregunta es sobre lo difícil que es planificar. Y el tiempo de luz de ida y vuelta limita qué tipo de correcciones de último día o de última hora son posibles. El objeto es mucho más tenue que Plutón, por lo que es posible que no se obtengan imágenes con medio año de anticipación como antes. M69 puede ser 100.000 veces más débil que Plutón, por eso incluí el albedo en la tabla.
Los planes para los sobrevuelos generalmente se planifican con mucha anticipación, por lo que... Las correcciones de última hora simplemente no se hacen.
De acuerdo, eso suena como una generalización radical que puede no aplicarse realmente a un sobrevuelo de un objeto extremadamente tenue de 30 km de diámetro que se encuentra a 6.500 millones de kilómetros del Sol. No estoy seguro de que este sea un caso en el que se aplique "normalmente". Por supuesto, "con mucha antelación" también es un término bastante flexible.
Se aplicaba a los sobrevuelos de Júpiter ya todos los que conozco. Por lo general, también se aplica a las misiones orbitales. La única excepción que he visto son los sistemas que usan IA para mejorar la posición o las imágenes.
Esta pregunta es específicamente sobre un objeto extremadamente pequeño, tenue y distante , una analogía con un sobrevuelo de Júpiter puede no ser tan relevante.
¡GRAN TRABAJO! Esto realmente responde con una profundidad asombrosa, ¡guau! Nunca esperé una respuesta en video :-) ¡fantástico!

Bien, recopilando mis comentarios en una respuesta:

Tan pronto como tenga una imagen y tenga suficiente delta-V, PUEDE obtener un sobrevuelo, aunque el tiempo preciso y la velocidad del sobrevuelo permanecerán desconocidos hasta mucho más tarde (cuando los cambios de tamaño del objeto en las imágenes se vuelvan significativos).

Esto funciona solo cuando la curvatura de las órbitas no es significativa: la influencia gravitacional de otros cuerpos es menor y las trayectorias en las distancias involucradas se pueden aproximar con líneas rectas. También funcionará para una curvatura orbital moderada, si repite el proceso iterativamente, corrigiendo el error cada vez que la curvatura lo presente. Sin embargo, definitivamente no es viable si los dos cuerpos están, digamos, a 90 grados de distancia en la órbita de un planeta. Sin embargo, para New Horizons es viable: los ~ 1-10 millones de km en los que se espera detectar 2014 MU69 no son nada en comparación con la distancia del sol, y ~ 10 días no son nada en comparación con el período orbital de 2014 MU69.

Tome un conjunto de coordenadas, con el eje Z yendo al objetivo de la nave; arreglarlo en relación con las "estrellas distantes" (para que no cambie a medida que se mueven los objetos involucrados).

Oriente la nave a lo largo de ese eje Z.

Tome dos imágenes separadas por un tiempo conocido. El objetivo habrá vagado por el campo de visión una cierta distancia.

Realice una quemadura delta-V elegida arbitrariamente perpendicular al eje Z en la dirección del viaje aparente del objetivo (plano XY) y, después de un tiempo conocido, tome otra foto.

Usando proporciones simples entre tiempos y posiciones, puede calcular el valor de la quemadura necesaria para obtener una trayectoria de sobrevuelo, una que lleve a cero la velocidad relativa del objetivo en el plano XY. Dado que no se mueve "hacia los lados" y te mueves hacia él, eventualmente llegarás allí .

Todavía no sabe cuándo ocurrirá el sobrevuelo ni a qué velocidad, pero todo lo que necesita es esperar, o seguir repitiendo el proceso para reducir aún más la distancia de sobrevuelo.

Por supuesto, si el contacto visual inicial está muy "apagado", le faltará delta-V para realizar la corrección. Aún así, en el caso de New Horizons, alrededor de 100,000 km de error inicial deberían ser suficientes para obtener un sobrevuelo muy cercano, y cualquier cosa por encima de eso solo se sumará a la distancia de sobrevuelo.

Sin embargo, en la práctica, la hora del sobrevuelo se conocía en uno o dos segundos (necesario para que la cámara apuntara), lo que implica que la distancia a 2014MU69 se conocía en aproximadamente 20 km. ¿Alguien sabe cómo se determinó esto?
¿Cómo (diablos) se puede conocer la órbita de 2014 MU69 lo suficientemente bien como para un sobrevuelo cercano de New Horizons?
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