Navigasjon omfatter alt som inngår innenfor å finne posisjonen og retningen til et objekt. På jorden kan vi bruke mange metoder til å orientere seg selv, noen av dem er kompass, stjernebilder, objekter i naturen, sola eller kart. Navigasjon i verdensrommet er litt vanskeligere enn som så, for hvordan vet vi egentlig hvilken retning utstyrene peker, og hvor vi er?
Kompass bruker magnetfeltet laget av kjernen til jorden til å peke i en bestemt retning, stjernebilder krever at man kjenner nattehimmelen og har laget et system som gjør at man kan finne retningen man ser i. Eksempel så bruker man polarstjernen på den nordlige halvkule til å finne ut av hvor nord er i forhold til retningen man ser. Dette er noen få eksempler men de har samme problem i vårt tilfelle, metodene vil ikke fungere i verdensrommet på grunn av at det er begrenset til å bare være brukelig på planeten. Eneste metoden som kan fungere ute i verdensrommet er å bruke stjernebilder som vår navigerings metode. I vårt tilfelle kan vi anta at vi ikke har brukt nok tid til å kartlegge himmelen og stjernene til den grad at det kan brukes til navigasjon.
Vi kunne brukt vår egen stjerne til å vite retningen utstyrene peker i underveis, men dette gjør at et objekt som står stille vil være i forskjellig retning avhengig av din egen posisjon. Se for deg at du setter en pinne i bakken, og du ber en person stå stille ved siden av deg slik at begge ser mot pinnen. vi kan anta at du står på personens høyre side, så dersom man definerer retningen du ser pinnen i som nord, så vil personen ut fra den definisjonen stå vest for deg. Så går du mot klokken med en vinkel på \(90^o\) grader, da vil den andre personen stå nord-vest for deg dersom avstanden fra deg til pinnen forblir det samme. Dette gjør at det blir håpløst å vite hvor objekter burde være når definisjonen for hvor nord, eller vinkelen \(\phi = 0^o\) hele tiden endrer seg samtidig som de andre objektene beveger på seg.
Kart hadde vært en fin ting, men det blir håpløst å bruke det uten å ha noen distinkte landemerker som man kan orientere seg med. Eksempel så kan du tenke deg at du skal finne frem til en adresse men bykartet du har fått er helt symmetrisk, og ser helt lik ut over alt. Med kart ser man ofte etter objekter en selv kan se, i forhold til der de ligger på kartet, men hvordan gjør man det når du ikke har noe distinkt landemerke? Vel kartet blir ubrukelig. Det samme kan sies om verdensrommet, for å bruke små konsentrasjoner av støv og partikler som landemerker er håpløst og ikke praktisk.
Vi antar at magnetfeltet fra vår egen planet ikke er sterkt nok til å nå ut til de avstandene vi trenger det i, det er også et problem at vi da bare vil vite hvilken retning vår egen planet befinner seg i, i forhold til raketten. Vi kunne brukt magnetfeltet til stjernen vår men da støter vi på samme problem som i eksempelet med pinnen. Vi trenger et system som ikke endrer seg over den tiden raketten bruker for å nå destinasjonen.
Det er heldigvis en mulig løsning, vi kan sette \(\phi = 0^o\) på et bestemt sted på himmelen, og ta et panorama bilde, \(360^o \) rundt oss selv, for så å bruke teknikker innenfor bildeanalyse til å finne orienteringen, retningen, som utstyret i raketten peker mot.
Her er det mange antagelser og forenklinger vi har gjort, som gjør at dette er en mulig måte å gjøre det på. Første antagelsen er at vi bare tar hensyn til et 2 dimensjonalt plan i xy-planet, det betyr at vi ikke, i noen særlig stor grad, vil ta hensyn til z-retningen. Verdensrommet er så stort at det ikke gjør noe særlig om vi beveger oss opp eller ned et par hundre kilometer fra der vi definerer z = 0. Alt det vil gjøre er å gi oss mer utregninger underveis.
Omgivelsene, bakgrunnen, vil forbli det samme på grunn av de utrolige store avstandene. Det blir som om du, under en fullmåne, ser opp, merker hvor den er i forhold til andre objekter, for så å flytte på deg et par hundre kilometer i en retning for så å gjøre det igjen. Det du ser er at det ikke er noe merkbar forskjell mellom før og etter å ha flyttet deg, for avstanden er så stor at din bevegelse ikke har noe å si for posisjonen du oppfatter at den er i. Det betyr at horisonten ut mot resten av verdensrommet kan brukes som et statisk referanse og dermed som et fungerende system du kan bruke til å navigere med.
Akkurat som med retningen utstyret vårt peker i, så er posisjonen til raketten også viktig å kunne finne. Til dette har vi utmerket teknologi som forteller oss hvor vi er i forhold til de andre planetene, inkludert vår egen stjerne. Disse avstandene kommer i astronomiske enheter, som vi burde være kjent med nå.
For posisjonen vil vi derfor forholde oss til vår innebygde teknologi. Vi kunne alltid ha brukt for eksempel, kraften som virker på oss fra hvert av objektene, men dette er tungvint, upresist og meget unødvendig. Vi antar også at vi vet posisjonene til planetene til enhver tid, så hvordan bruker vi avstanden fra planetene til vår fordel?
Ser vi på dette ved å bruke litt geometri vil man se at avstandene kan bli sett på som radiusen til en sirkel, så når man tegner opp sirklene vil man får skjæringspunkter, med mange nok sirkler vil dette gi oss et punkt der flere enn 2 sirkler skjærer hverandre, og som da vil være vår posisjon. Dette kalles for trilaterasjon og er det samme som GPS'er bruker for å finne din posisjon.
Det siste vi nå mangler er en metode for å finne hastigheten vi har, men hvordan vet vi hastigheten våres dersom alt vi sammenlikner med visuelt ikke ser ut til å bevege seg? Vi kan jo alltid finne posisjonen vår mellom to ulike tidspunkter og bruke relasjonen mellom fart, strekning og tid til å finne hastigheten, det er bare et lite problem med å bruke denne metoden, som er at vi da vet hastigheten vi hadde. Vi vil vite hastigheten vi har i et gitt tidspunkt for om vi bare vet hva vi hadde så ender vi opp med å nesten måtte gjette oss frem til hva hastigheten vi har egentlig er. Dette er å skulle spørre om problemer på lang sikt ettersom man trenger så presis informasjon som mulig når man håndterer store avstander for å ikke komme ut av kurs.
Heldigvis har vi blitt funnet 2 stasjonære stjerner utenfor vårt eget solsystem som vi vil måle den mottatte bølgelengden fra \(H_{\alpha}\), fra hydrogen, og sammenlikne det med bølgelengden det ville ha gitt i et laboratorium, som vi vil kalle \(\lambda_0\). Forskjellen i bølgelengdene vil si oss noe om hvordan vi beveger oss i forhold til stjernene, og effekten av at bølgelengden endrer seg kalles for Doppler effekten.
Da har vi funnet ut av ulike måter å finne hastigheten, orienteringen og posisjonen til raketten, da gjelder det bare å sette alt dette sammen til en fungerende program eller algoritme som kan gjøre dette for oss.
Neste innlegg finner du her