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美国国家航空航天局是如何知道其探测器(比如“旅行者”号)的当前速度的?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-04-07 08:44:32

遥远的太空探测器使用无线电导航。

当我们向遥远的宇宙飞船发送无线电信号时,我们可以观察到两件事:返回信号的多普勒频移,以及信号往返所需的时间。这些被称为多普勒和距离“可观测”。不是所有的航天器都支持两者,但是所有的航天器都支持其中之一。

当我们向宇宙飞船发送无线电信号时它以相同的频率返回信号,或者以一个固定的接收频率的比率,将返回频率与上行频率相比较,我们就知道宇宙飞船的视线速度。由于众所周知的多普勒效应,航天器离我们越远,信号的频率下降越多。

当我们向航天器发送无线电信号,并精确计算返回信号到达的时间时,我们可以计算出到航天器的距离。这是因为无线电信号在真空光速旅行,如果我们知道,说,200秒才得到返回的信号,我们知道100秒信号传播的一种方法,这对应于一个3000万公里的距离。

无论哪种方式,我们都要重复测量。从重复的测量中,我们知道了航天器的视线速度和位置是如何随时间变化的。

现在飞船不是随机移动的。它的运动服从天体力学定律。我们知道天体力学方程,我们可以根据多普勒或距离数据拟合航天器的轨道。由此,我们可以重建航天器在太阳系中的三维轨迹,包括它在任何给定时间的位置和速度。

在实践中,这是一项细节复杂的练习。例如,航天器的运动可能会受到非重力因素的影响,包括有意的机动、非重力力(如太阳辐射压力),甚至小的未建模力(如电池泄漏)。

反过来,无线电信号在太阳系复杂的环境中传播,可能会受到来自太阳的带电粒子的影响,如果它在太阳附近传播,甚至可能受到太阳引力的影响。当它进入地球大气层时,它会受到进一步传播的延迟,甚至可能取决于当地天气(例如空气中的湿度)。

但所有这些因素都是已知的,可以精确建模。因此,我们可以精确地重建遥远航天器的轨道。

例如,先锋10号和11号航天探测器的无线电信号频率建模非常精确,尽管信号频率本身是2。2千兆赫,但模型和观测之间的偏差是以毫赫兹计算的。换句话说,在几个年(在先锋10的例子中,超过10年)时间跨度上的建模精度优于一千亿分之一。

旅行者号的模型不能那么精确,因为他们每天要使用好几次推进系统来稳定他们的方向,这样他们的抛物面天线就可以继续指向地球。(先驱者号天生是稳定的,因为它们在旋转,所以它们不需要这样的操作。)由于这些推进器点火所涉及的内在不确定性,以及随之而来不可避免的小气体泄漏,这些机动会引入大量随机噪声。即便如此,“旅行者”的轨迹,包括它们的位置和速度,仍然是相当准确的。
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