Raumsonden und Orientierung: Am dritten Planeten nach links
Als die Raumsonde New Horizons am Pluto vorbeiflog, musste sie eine Reihe von präzisen Drehungen und Manövern durchführen. Die Sonde musste jederzeit genau wissen, wo sie ist und in welcher Lage sie sich befindet. Sonst hätte sie kaum eine Chance gehabt, gezielt Bilder von Pluto oder seinen Monden zu machen. Gleichzeitig ist bei New Horizons auch die Antenne fest verbaut, die die Daten zur Erde zurücksendet. Wenn die Antenne nicht wieder auf die Erde ausgerichtet wird, können keine Daten zurückkommen und die Sonde ist verloren.
Um die Kosten und das Gewicht der Sonde niedrig zu halten, wurden außerdem alle Kameras fest verbaut. Also muss sich die ganze Sonde drehen, um die Kameras auszurichten. Zur Orientierung dienen dabei mehrere Systeme.
Die wichtigsten Instrumente sind zwei Sonnensensoren(öffnet im neuen Fenster) , die die Position der Sonne bestimmen. Auch wenn nichts anderes mehr funktioniert, kann sich die Sonde damit zumindest auf die Sonne ausrichten. Das reicht aber nicht, um stark gebündelte Signale mit der Hauptantenne direkt zur Erde zu funken. Dazu muss die Antenne auf 0,2 Grad genau ausgerichtet werden. Vom Pluto aus gesehen, kann die Erde bis zu 1,7 Grad von der Sonne entfernt sein. Es ist aber noch eine zweite Antenne auf der Hauptantenne montiert(öffnet im neuen Fenster) (PDF), die eine Halbwertsbreite von 10 Grad hat und auch dann noch Signale mit niedriger Bandbreite zur Erde funken und empfangen kann.
Optische Systeme statt Kreiselkompass
Das zweite System ist die Inertial Measurement Unit(öffnet im neuen Fenster) (PDF). Das sind Gyroskope, mit denen die Rotationsgeschwindigkeit der Sonde gemessen werden kann.
Wissenschaftler benutzen dafür aber keine mechanischen Kreiselkompasse mehr, sondern optische Systeme, die mit dem Sagnac-Effekt(öffnet im neuen Fenster) funktionieren und ohne bewegliche Teile auskommen.
Dabei wird ein Laserstrahl geteilt und beide Teile werden auf eine ringförmige Bahn in entgegengesetzter Richtung geleitet, entweder durch eine Glasfaser oder mit Spiegeln. Am Ende werden beide wieder zusammengeführt. Die dunklen und hellen Bereiche der dabei entstehenden Interferenzmuster ändern sich je nach Rotationsgeschwindigkeit der Sonde.
Mit steigender Geschwindigkeit wechseln sich hell und dunkel immer wieder ab. Man muss es also wenigstens einmal kalibrieren, wenn die genaue Rotationsgeschwindigkeit der Sonde bekannt ist. Dazu kommt noch eine Reihe von Beschleunigungsmessern, die auch für die Rotationsmessung eingesetzt werden können.
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(öffnet im neuen Fenster) .
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(öffnet im neuen Fenster) .
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.