Entfernungen und Geschwindigkeiten bestimmen

Schließlich gibt es auch noch einen Star Tracker, also eine einfache Kamera, die Bilder vom Sternenhimmel macht und auswertet. Damit kann die Sonde ihre Ausrichtung relativ zu den Sternen der Milchstraße und ihre Rotationsgeschwindigkeit bestimmen, wenn sie sich nicht zu schnell dreht.

Als bei der Sonde Deepspace-1 der Star Tracker ausfiel, nutzte man stattdessen die Hauptkamera. Die hatte natürlich eine viel höhere Vergrößerung und ein kleineres Sichtfeld, was es dem Bordcomputer entsprechend schwieriger machte, die Bilder der Kamera bekannten Sternkonstellationen zuzuordnen.

Die Laufzeiten der Radiosignale sind entscheidend

Zuletzt muss die Sonde noch wissen, wo genau im Sonnensystem sie sich befindet und wo sie hinfliegt. Das könnte man grob durch Positionsbestimmung von Planeten tun, aber das ist nicht im Ansatz genau genug. Hier hilft die Kommunikation mit der Erde.

Von hier kann man die Entfernung zur Sonde durch die Laufzeit der Radiosignale genau bestimmen. Umgekehrt gilt natürlich das Gleiche. Außerdem führt jede Bewegung der Sonde zur Erde hin oder von der Erde weg zu einem Dopplereffekt, mit dem man die Geschwindigkeit dieser Bewegung messen kann. Dazu muss man aber sehr genau wissen, mit welcher Frequenz die Sonde sendet und entsprechend viel Wert wird auf die Qualität der Transmitter gelegt.

Die Genauigkeit, die man damit erreicht, ist erstaunlich. Man kann die Entfernung der Raumsonde zur Antenne auf der Erde auf drei Meter genau bestimmen und die Geschwindigkeit auf 0,05 mm/s.

Auf die Größe kommt es an

Zuletzt muss man noch möglichst genau die (scheinbare) Stelle am Himmel kennen, von der die Sonde ihre Radiosignale abschickt. Da ist die Bodenstation auf der Erde im Vorteil. Hier kann man viel größeren Aufwand betreiben. Man hat nicht nur die größeren Antennen, man hat auch mehrere davon in großem Abstand zueinander.

Dadurch kann man die Winkel interferometrisch sehr genau bestimmen, auf etwa 0,3 Nanoradiant genau. Das heißt, dass man in einer Entfernung von 3 Milliarden Kilometern einen Fehler von einem Kilometer hat. Pluto war beim Vorbeiflug von New Horizons etwa 5 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt.

Ein Problem hat man aber noch. Man kennt die Position der Erde relativ zum Rest des Sonnensystems leider nur auf etwa einen halben Kilometer genau. Zum Glück spielt diese Ungenauigkeit meistens keine Rolle. Ein paar Kilometer mehr oder weniger haben in den seltensten Fällen ernsthafte Auswirkungen auf eine Mission. Dort wo es doch eine Rolle spielt, muss die Sonde selbst mit Kamera, Radar, Altimeter oder ähnlichen Geräten an Bord das letzte Stück Präzision selbst meistern. Immerhin muss sie den Weg dorthin nicht alleine finden und kann mit der Unterstützung von der Erde rechnen.