題:
航天器如何知道它在軌道上?
A_D
2016-07-05 16:53:06 UTC
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經過5年的太空旅行,朱諾終於到達並開始圍繞木星飛行。探測器實際上是如何知道它在軌道上的,以便它可以發送諸如“歡迎來到木星!”之類的確認消息。 ?


出於這個問題的目的,請按照我們在計算機中慣用的口語來對待“知道”。就是說,問題可以表述為:“什麼觸發了Juno探針發送確認消息?”意識不是必需的。

可悲的是,在這個時候(2016-07-05 19:30Z),有來自4個高級用戶的4個矛盾的答案。感興趣的讀者我怎麼知道接受的答案是否正確?還是其中任何一個?特別是因為沒有答案鏈接到特定於Juno的參考...
@JoeBlow -在JPL網站上查找信息非常困難。但是,該飛行器在插入軌道之前和之中確實進行了數天的自主操作,並且發出的聲音等同於OP的“歡迎使用木星!”。
@davidbak-答案可能是未知的,我通常知道如何戳戳,但JPL和Lockheed Martin網站似乎處於無戳戳區域。特別是出口管制和專有的無戳區域。請參閱本演示文稿的第4頁:https://wiki.sei.cmu.edu/aadl/images/a/a5/Juno_project_112009.pdf。我們需要知道太空飛船的GNC和任務管理軟件如何工作的細節的人,但是由於答案的出口控制/專有性質,很可能不允許某人回答該問題。
假設[每種方式的通信延遲為48分鐘*](http://space.stackexchange.com/questions/16984/how-long-does-it-take-for-a-signal-to-travel (在木星與木星之間),探針“不”具有某種自治是不可能的。如果地球上的任務控制需要發送一個信號說“您現在在軌道上,請停止發動機”,那麼探測器將反應一個半小時​​又太遲了。口語上,通常將基於感測到的輸入來自主執行動作的系統稱為“決定”基於“它所知道的”而行動,而實際上沒有暗示感覺。
我已經清理了所有與探針是否有知識有關的評論。 **請停止爭論知識的定義。為了清楚起見,我在問題中添加了註釋。我們不需要在這個複雜的問題上貶低OP或其他任何人。**
@DavidHammen在大多數情況下,我認為這裡的問題不是專有數據,因為Juno掌握了很多知識。問題是出口管制。
@called2voyage-不是專有數據。它是專有的設計和實現。嘗試找出Juno是否具有加速度計。 (它必須有一個,而且很可能有兩個或三個。)我理解出口控制,ITAR和專有設計的概念,但是JPL和LM對保密性很感興趣,這會使事情有些過頭(IMHO)。
@davidbak答案並不矛盾。每個部分都包含故事的一部分:在地球上進行的檢測,用於確定姿態和加速度的傳感器以及在Juno上用於解釋數據的軟件。所缺少的只是Juno是否有一個程序能夠計算它是否處於軌道並響應而切換模式,還是所有命令都來自地球,這是未公開的信息的一部分。
朱諾有一個霍尼韋爾MIMU。
七 答案:
Mark Adler
2016-07-05 20:47:39 UTC
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Juno航天器無法直接測量和計算它是否在軌道上。它沒有發送任何此類確認消息。它發送的只是一個FSK音調,表明它已經完成了命令執行的活動。航天器返回地球後,它傳輸了該事件的所有記錄的工程數據,從而提供了有關其如何完成其​​被指揮的活動的更多信息。

航天器可以確定其姿態,但是沒有提供有關其軌蹟的任何信息。從理論上講,Juno可以確定它自己在軌道上的唯一方法是使用外展攝像頭在JOI之後定期觀察木星,並觀察其相對於參考恆星的位置,並將其與預測是否會發生變化進行比較它在軌道與否。但是,兩者之間的差異最初很小,因此可能需要幾個小時或幾天才能做出確定。這種功能是在JPL上開發的,稱為 AutoNav,但Juno並未使用它。

Juno可以通過整合加速度計讀數來推斷其在軌道上。但這不是直接確定軌道的方法。

我們 知道朱諾進入軌道的最直接方法是雙向多普勒簽名。我們知道了朱諾接近地球的軌跡,並且由此知道,在成功的軌道插入燃燒過程中,X波段信號沿視線的多普勒頻移向地球的變化將是什麼樣子。然後,我們可以實時查找該簽名。瞧瞧,就在那裡。

朱諾軌蹟的設計是為了讓飛船在整個燃燒過程中都能看到地球。 (從地球上看,飛船在軌道後面燒掉一部分,這是很普遍的。)

雙向多普勒的工作原理是,將來自地球原子鐘的非常精確的頻率發送到航天器,然後讓航天器以相干相位將該頻率轉向,其中該頻率乘以一個精確的有理數(通常為880) / 749)。地球上接收到的信號經過適當轉換,並在同一個原子鐘上跳動,以獲得多普勒頻移。這樣可以在每秒幾毫米的範圍內測量航天器相對於地球沿視線的速度分量。雙向多普勒可以僅用載波來完成,因此鏈路上不需要攜帶數據。這樣就可以以相對較低的信號強度從航天器獲得多普勒跟踪支持。

880/749的意義是什麼?這僅僅是一個約定,還是有其他原因讓我們更喜歡它呢?
分配X波段頻譜是一種慣例。參見http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/201/201B.pdf
好吧,這裡的“了解”的區別是:NASA發送飛船“您在v1處於x1,我們希望您使用v2在x2上執行最佳燃燒”,而飛船則在進行燃燒,而“執行燃燒”一秒後,態度為a。” -如果當前的軌道元素矢量在探測器的RAM中,則可以說“知道”了它。
航天器只能說它完成了命令執行的活動,並且沒有意外事件。沒有消息聲稱“我現在在軌道上”,只是“我做了你說的要做的事”。但是,正如我在答案中概述的那樣,地球上的導航員可以根據無線電信號的多普勒頻移確定它在軌道上。
是否可以通過海拔高度增量報告來繪製軌跡,例如在一小時內拍攝10張海拔高度快照?探測器可以使用類似的方法來計算距軌道的頂點有多遠嗎?還是物理學家事先將所有這些編程為程序邏輯的一部分?另外,您是否以錯別字高度作為態度?還是態度不同於海拔?
我的意思是姿態,這是航天器相對於固定恆星的方向。它實際上是通過觀察明亮的星星來衡量的。通常,航天器沒有直接測量高度的裝置,只有著陸器在下降的最後一英里才用雷達直接測量高度。有些軌道器具有實際上可以測量高度的雷達科學儀器或激光科學儀器,但根本不是出於導航航天器的目的。
至於航天器可以做什麼,是的,可以做所謂的光學導航,在光學導航中,隨時間變化跟踪下方行星的特徵以測量速度分量。據此,隨著對行星GM的了解,航天器可以計算其軌道參數。但是我不知道有沒有做過或有做過的航天器。
SF.
2016-07-05 17:00:32 UTC
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使用姿態確定設備(包括來自地球的無線電信號的多普勒頻移),它可以確定 * sup>相對於木星的位置和速度,並根據該數據,知道木星質量,就可以計算出軌道。如果軌跡在木星周圍形成一個循環-這是一個軌道!

*實際確定是在地球上執行的,Juno只是從地球彈回一個信號,並從其餘自身儀器發送遙測信號 sup>

@JoeBlow: Mark解釋說,雖然非常精確,但該方法僅給出了航天器相對於地球沿視線的速度分量*,這只是三個速度矢量坐標之一。其餘的必須使用其他工具得出;位置也是如此(在這個距離上,儘管我們可以非常精確地確定*距離*,但如果沒有Juno本地確定,我們就沒有機會在任何合理的精度範圍內確定位置的其餘兩個部分)。因此,無線電只給我們6個軌道元素中的2個。其餘的來自其他工具。
這個答案有一個很大的問題:沒有人說過Juno使用了哪種導航傳感器。它當然具有加速度計和恆星追踪器,並且可能具有光學導航傳感器。 JPL公共網站的非技術性質隱藏了它可以使用的其他功能。但是我沒有拒絕投票。
David Hammen
2016-07-06 05:18:42 UTC
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首先要澄清。如果有人堅持認為“知道”需要自我意識和智慧,那麼朱諾航天器當然不會“知道”任何東西。與其迷住“知道”的含義的愚蠢性,不如尋找一種替代方法來回答問題。替代方案:Juno的車載計算機軟件有多複雜?航天器軟件是否以某種有限的方式知道它確實已經實現了軌道運行?


我正在製作此社區Wiki,因為這不是答案。正確答案很難找到。 (據我所知,沒有一個答案是正確的。)JPL和洛克希德·馬丁公司都很少或幾乎沒有公佈其車輛內部工作的技術細節。車輛的製導,導航和控制系統以及任務管理器顯然受到ITAR限制和專有標記。我將研究兩種情況,一種情況是飛行器不知道它是否在圍繞木星的軌道上,另一種情況是在這種情況下。

一種方法,該工具可以執行軌道插入燃燒當將要移動的ΔV(預定的期望ΔV與累積的感測到的ΔV之差)達到零時,將自動將車輛定向到預定方向,啟動火箭並停止。假設預定方位和預定期望增量V都是從地球發送到航天器的命令序列的一部分。在這種情況下,車輛不知道它在軌道上。它所知道的只是燃燒完成了。執行此操作的軟件非常簡單。如果簡單的軟件足以勝任工作,那麼簡單就是最好的選擇。

如果該簡單方法無法滿足需要,則可能需要更多的複雜性。例如,航天器可能需要更複雜的製導,導航和控制軟件,以及更複雜的任務管理軟件。 (顯然,它具有相當廣泛的故障檢測,隔離和恢復軟件)。在這個更複雜的版本中,任務管理器很可能具有在軌模式,由GNC軟件評估是否已達到所需的軌道,觸發了過渡模式。儘管這不是自我意識的軟件,但它是可以知道飛行器確實在木星軌道上運行的軟件。內存和256 MB閃存。這相當於1999年以來的低成本個人計算機。在相當有限的系統中,沒有太多的空間可用於實現複雜性。

您的最後一段啟發了一個問題,網址為http://movies.stackexchange.com/questions/56416/what-is-was-the-hardware-specification-of-hal9000
“在相當有限的系統中,沒有太多的空間可以實現非常複雜的功能。”未敢苟同。 1999年的PC可能會運行帶有GUI的OS,並使用質量很差的軟件為用戶處理大量的工作。太空飛船計劃肯定會在人類可能的範圍內進行最佳優化,而且非常專一/專注(與通用PC相比)。一心一意的程序可以用大量的計算能力和內存來做很多事情。
你是對的。由於出口限制,我們可能無法確定答案。
@called2voyage-在哪裡可以找到您要輸出到外部太陽系的東西的出口限制?他們可能是有趣的閱讀。
@davidbak-如果某個其他國家/地區發送車輛來捕獲Juno並對其飛行軟件進行逆向工程,那實質上就是戰爭。例如,請參閱[Sea Hunt,Inc.訴不明身份,遇難船或船隻](https://coast.noaa.gov/data/Documents/OceanLawSearch/SeaHuntInc._CaseSummary_PDF.pdf?redirect=301ocm)。為避免與西班牙宣戰,必須將Sea Hunt,Inc.發現的寶藏交還給西班牙。還要注意,海上狩獵發現的船隻之一是“朱諾”。
@called2voyage-車輛設計還有一個專有方面,包括飛行軟件和命令結構。洛克希德·馬丁公司顯然重複使用了為火星偵察觀察員,GRAIL和朱諾其他航天器開發的概念。重複使用的好處是降低了成本並提高了可靠性。缺點是隱藏了技術細節。
@DavidHammen-很好,謝謝! (順便說一句,基於該摘要,我認為Sea Hunt,Inc.得到了一筆原始交易。我將轉到[law](http://law.stackexchange.com/)詢問有關此問題....)(哦,還有順便說一句:不是美國宣告對西班牙發動戰爭,反之亦然,對嗎?完全不同!
@davidbak-您可能還想看看[Odyssey Marine v Spain](https://www.theguardian.com/world/2015/dec/06/holy-grail-of-shipwrecks-in-three-way-court -戰鬥)。主權國家不會放棄財產,即使該財產在海底已有數百年曆史了。這些海事裁決對於美國宇航局留在月球上的著陸器和漫遊車,地球軌道上的死機以及朱諾(航天器和西班牙飛船)都具有重要意義。
Russell Borogove
2016-07-05 22:19:00 UTC
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軌道插入燒傷的持續時間由航天器上的加速度計控制。任務控制知道航天器的進入速度和計劃軌道所需的期望速度。當發動機運轉時,航天器會測量其隨時間的減速率,當總速度變化達到必要的數值時,它將關閉發動機。

在這種情況下,確認消息是在探針完成了插入燒傷,任務控制能夠通過多普勒頻移確認速度,如此處其他答案所示。

積分加速度不足以測量速度變化。最重要的是,您至少需要一個陀螺儀示波器。甚至在那時,加速度計中的任何不精確性都會被整合併複合。
PearsonArtPhoto
2016-07-05 16:55:45 UTC
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除非地球明確告知,否則探針確實不知道。可以通過在地球上找到其位置,跟踪其路徑並確定它是否確實在軌道上來對其進行測試。 太空飛行基本原理-導航中對此進行了詳細說明。簡而言之,他們使用兩種技術:測距,即發送脈衝並立即響應以給出距離;和多普勒頻移,顯示了航天器和地球之間的相對速度。這兩個具有足夠的測量值,將使人們能夠確定一個物體的軌道。它可以做的就是告訴速度變化,前提是儀器已在船上正確校準過。那就是航天器正在尋找的東西,或者是燃燒的時間,這兩者都可以讓它知道它已經達到了正確的燃燒。但是,如果目標錯誤,儀器錯誤或類似原因,則刻錄可能不會成功。只有從地球進行的測量才能真正讓系統知道它已經成功捕獲了火星。

這是不正確的。朱諾昨晚不得不自主執行JOI燃燒:燃燒持續時間短於這里和木星之間的光距離,因此在地球還沒有聽說它開始之前就結束了。 Juno的計算機確定它何時處於正確的軌道(與預計的燃燒時間相差1秒),並在正確的時刻關閉,而此時地球沒有任何輸入。
嗨,雅各布-到木星的旅程花了永遠。當然,它能夠自動執行您所說的特定操作。但是毫無意義的是它“飛過整個飛行本身,並且'知道它何時到達木星'”。你看?
@JacobKrall我添加了一些細節,討論了飛船的實際功能。它知道燃燒時間或速度變化,但是雖然可以推斷出一切正確,但是只有來自地球的測量才能確認這一點。
@PearsonArtPhoto-精心設計的卡爾曼濾波器可以檢測到諸如導航傳感器偏差和未對準等錯誤。我還不知道Juno的飛行軟件有多複雜。我們都在猜測。
-1
Byron Jones
2016-07-07 02:21:20 UTC
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Juno航天器使用多種技術來確定其位置和軌跡。稱為“恆星追踪器”的機載系統幫助航天器確定其在太空中的方向。結合從地球上進行的無線電信號分析確定的定位數據,車輛可以沿其軌跡“三角剖分”其位置,併計算偏差。一旦航天器知道了它的實際當前軌跡,它就可以執行計算以確定要應用哪些推力矢量(使用其各種發動機)以實現正確的航向。在這種情況下,那將是軌道插入。有關更多信息,請參見本文

Juno不會進行這些計算,而是在地球上完成的。
一些計算是在地球上完成的,但是加速度,矢量和推力數據的最終集成必須實時進行,並且必須由航天器本身執行。
user3293101
2016-07-06 19:17:36 UTC
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這與陀螺儀有關。如果您對物理學沒有敏銳的知識,則可能需要花點時間發揮自己的才能:-)
這是一個非常簡單的過程,而且全部都是自動完成的(必須:需要48分鐘

1-您擁有木星的引力分量,這是一個信號從地球到達朱諾的信號,而且從地球到達朱諾的時間也就不足為奇了。所以48 + 48 =災難!!)

1-它正在將Juno拉向它。讓我們將其稱為 down-force ;
2-要逃避 down-force ,Juno必須向前加速得如此之快,以至於最終他會逃脫繼續加速;
3-陀螺儀實際上會發出聲調(讀取)並向下加速,並將推進火箭設置為 forward 方向,直到向下的加速度等於零為止。這稱為自由落體。

這些前向火箭必須不時地打開(陀螺儀自動設置),因為儘管您可能聽到過,但仍有摩擦(小但有) ),這會因為木星的大氣而減慢朱諾在軌道上的前進速度。

不要將加速度與速度混淆。
想像你在車上。當您踩油門時,您會加速。您會感覺到背部向汽車座椅的壓力。當達到所需速度時,您將停止加速(不再有背壓),而只需將油門踏板踩到足以保持該速度(克服摩擦和其他壓力,但不再加速)即可。

如果您的想像力足夠好,請認為,要走路,您必須向前傾斜身體以開始跌倒。為避免砸到地板上的臉,您可以向前伸腿並提高速度,直到加速度為零,然後在公園裡散步。

關於Juno的不錯的網站,有很多視頻和書呆子事實: http://spaceflight101.com/juno/juno-mission-trajectory-design/

陀螺儀不測量加速度,而是測量相對角度。衡量加速度的是加速度計。在地球與地球之間也有等待時間,這並不意味著它需要自治。請記住,距離非常大,通常會花一些時間才能發生錯誤。您可以完美地估算出工作量,並根據48分鐘的時滯做出決策。此外,探測器很難自行計算速度以知道它是否在軌道上,這就是為什麼他們通常使用來自地球的多普勒雷達探測其速度的原因。
好吧....因此,如果您測量一段時間內您的“角度”變化有多快,您能否得出加速度?如果您不知道如何回答,請先進行研究,然後再發布垃圾。
而且我在這裡仍然在笑地球上的多普勒雷達。我幾乎無法想像那些聲波在太空中傳播。
一個答案有多大失誤。
您可以得出user3293101的角加速度(實際上,電子陀螺儀可以測量角速度,可以積分並找到角度)。因此,您只能找到太空飛船繞其軸旋轉的速度。僅通過陀螺儀信息無法找到加速度。
user3293101關於多普勒雷達,它“不”使用聲波,而使用電磁波(在微波頻譜中)。請在發布之前檢查您的信息。 https://zh.wikipedia.org/wiki/多普勒雷達


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
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