Wetenschappers maken ruimte-gps op basis van pulsars

Onderzoekers willen pulsars gebruiken als locatiemiddel voor satellieten. De periodiciteit van de lichtpulsen van de pulsars zou dermate goed voorspeld kunnen worden, dat de waarneming ervan als positiebepaling kan worden gebruikt.

De mogelijkheid werd al eens in 1974 geopperd, maar de techniek was destijds nog niet ver genoeg gevorderd. Op aarde kan een pulsar worden waargenomen met een röntgendetector in telescopen. Tot voor kort waren dergelijke detectors te groot voor satellieten, maar inmiddels zijn dergelijke röntgentelescopen klein genoeg om aan boord van ruimtevoertuigen geïnstalleerd te kunnen worden. Met de detectie van voldoende bekende pulsars zou een driehoeksmeting verricht kunnen worden, om zo plaats en snelheid vast te stellen.

Medewerkers van het Australische onderzoeksinstituut Csiro zeggen op die manier een 'ruimte-gps-systeem' te hebben ontwikkeld. Volgens een simulatie van de onderzoekers zouden ruimtevoertuigen die ver van aarde reizen hun locatie en snelheid tot op respectievelijk 20 kilometer en tien centimeter per seconde nauwkeurig kunnen vaststellen. Daarvoor zouden metingen van vier pulsars nodig zijn, die ieder gedurende ten minste een uur geobserveerd zouden moeten worden.

Behalve de plaatsbepaling van satellieten binnen en ver buiten ons zonnestelsel zou de software, die Tempo2 genoemd wordt, andere functies kunnen vervullen. De timings van bekende pulsars kan gebruikt worden om de massa's van planeten te berekenen. Ook onbekende massa's, zoals van onontdekte planeten, kunnen zo voorspeld worden.

bron: http://www.sciencedaily.com/releases/2013/08/130821094935.htm

Reacties (30)

Iets meer uitleg zou fijn zijn. Pulsar navigatie werkt heel anders dan GPS navigatie. Tweakers is overigens lang niet de enige website die pulsar navigatie niet echt uitlegt, dus het zij ze vergeven...

Bij GPS navigatie voorkom je dat verschillende locaties dezelfde GPS coordinaat opleveren omdat de GPS signalen de verzendtijd bevat, dus als je twee locaties hebt waar de signalen van drie satellieten precies tegelijk aankomen kun je onderscheid maken tussen de locaties omdat je het verschil kunt zien tussen drie signalen verzonden om 18:05:53 die alledrie tegelijk aankomen en drie signalen die ook tegelijk aankomen maar op verschillende tijden verzonden zijn.

Bij pulsar signalen weet je in eerste instantie niets over de verzendtijd en in een perfect vacuum zou pulsar navigatie niet werken omdat verschillende locaties hetzelfde interval tussen signalen van verschillende pulsars kunnen hebben. Omdat de echte ruimte geen perfect vacuum is en pulsar signalen niet monochromatisch zijn krijg je dan verschillende aankomsttijden voor de verschillende frequenties die verborgen zitten in het signaal maar via een Fourier transformatie achterhaald kunnen worden. Vanwege de verschillende aankomsttijden voor de verschillende frequenties kun je schatten hoe ver de pulsar is vanaf de Aarde, maar dit hangt af van aannames over het interstellaire medium, gelukkig zijn er op Aarde andere methoden om de afstand tot een pulsar te meten en zo kun je je aannames aanpassen tot alles met elkaar klopt. Een ruimteschip heeft minder methodes om de afstand tot een pulsar te schatten, maar kan met behulp van verschillen in aankomsttijden tussen frequenties op Aarde, plus de aannames over het interstellaire medium die op Aarde bijgesteld zijn, wel zijn positie berekenen ten opzichte van de Aarde door de afstand van het ruimteschip tot verschillende pulsars te berekenen en een soort driehoeksmeting toe te passen.

Met de detectie van voldoende bekende pulsars zou een driehoeksmeting verricht kunnen worden

Een driehoeksmeting is uiteraard niet voldoende. Het gaat immers om plaatsbepaling in drie dimensies. Bij GPS gaat het om 2 dimensies. Hoogtemeting is op z'n best "onnauwkeurig", dus het is niet een 1-op-1 vergelijking.

Driehoeksmeting is inderdaad niet voldoende in de ruimte. Maar voor GPS is het wel genoeg om je verplaatsing in 3 dimensies te meten.

Met GPS of in dit geval pulsar afstands meten weet je alleen je afstand tot een bepaald punt. Die afstand kan je zien als een bol in 3d ruimte. Elk punt op de bol is immers even ver verwijderd van het middenpunt (je sateliet of pulsar).
Met twee punten weet je je dat je je altijd bevind op die bol, en dus in dit geval waar de twee bollen elkaar scheiden. Hiermee hou je een cirkel over waar je je op dat moment kan bevinden.
Drie punten brengt die cirkel terug tot maar 2 punten waar je je kan bevinden.

GPS maakt hier een aanname: aangezien een van die twee punten altijd in de ruimte ligt, schrapt hij die gewoon. Hiermee heb je dus binnen de atmosfeer al accurate bepaling in drie dimensies met drie satellieten.

In de ruimte heb je aan die twee punten waarschijnlijk ook wel genoeg. Die pulsars liggen dermate ver van ons vandaan dat het tweede punt wat gevonden word waarschijnlijk aan de andere kant van het universum ligt. Lijkt mij een aanname die je wel kan maken als dat een uur metingen minder is. Om dat tweede punt helemaal uit te sluiten moet je inderdaad nog een vierde meting hebben.

[Reactie gewijzigd door Sleepkever op 22 augustus 2013 18:12]

Je moet niet denken dat wij als mensheid voor altijd in dit kleine hoekje blijven.

Als we in de Kardashev 3 schaal komen kan het problemen gaan geven omdat we dan aan de andere kant van het universum terecht komen.
Al is dit probleem bij een level 2 al opgelost omdat je dan zelf sterren kan maken waardoor het probleem dus eigenlijk al wordt opgelost voordat het zal ontstaan.

Wat ook een oplossing zou zijn is om op de verschillende planeten in ons universum een soort van beacons te plaatsen, genoeg op elke planeet om te zorgen dat er vanuit de ruimte altijd 1 beacon zichtbaar is.
Tenzij je achter de zon bent en alle planeten op 1 rij staan zijn er altijd wel een paar planeten zichtbaar. aan de hand hiervan zouden we als mensheid ook een soort gps kunnen maken.
Voor de sattelieten zouden we die dingen ook op aarde kunnen plaatsen waardoor je in de ruimte rondom de aarde zou kunnen navigeren, hierdoor zou je misschien elke hoofdstad van een land zo'n ding moeten laten plaatsen waardoor er altijd genoeg zichtbaar zijn om op te navigeren vanuit de ruimte rondom de aarde.

Dit kost misschien wel wat, maar het zou ook een motivatie kunnen zijn om te investeren in ruimtevaart.
De NASA heeft nu zo'n 18 miljard dollar per jaar te besteden oftewel 0,5% van wat de amerikaanse begroting.
De ESA heeft een budget van 5,5 miljard dollar ( of 4,3 miljard euro). De EU heeft een begroting van 150 miljard, dat is dus 2,8% van de begroting van de EU.
Nemen we de totale begroting van alle EU lidstaten, dan komen we uit op 18140 miljard (totale BNP van alle eu landen), dan is de 4,3 miljard maar 0,028% van de begroting.

In de geschiedenis van de NASA hebben ze 790 miljard dollar ontvangen en uitgegeven aan ruimtevaart ( met inflatiecorrectie, ze hebben sinds 1958 526 miljard dollar ontvangen).
De oorlogen in irak en afghanistan kosten tot nu toe 1.4 miljard, en dat niet in 60 jaar maar in 10 jaar.
De amerikanen geven in 10 jaar tijd twee keer zoveel uit aan oorlog dan ze in 60 jaar hebben uitgegeven aan de ruimtevaart.
Kan je nagaan hoe ver we als mensheid hadden kunnen zijn als dit bedrag richting de ruimtevaart was gegaan.
voor dit bedrag konden we al bijna een stad op de maan bouwen (kosten maanbasis, 35 miljard en 7 miljard aan jaarlijkste kosten zoals voedsel en brandstof invliegen).


bronnen:
http://www.europa-nu.nl/id/viwzl957djng/eu_begroting_2013
http://costofwar.com/
http://nl.wikipedia.org/wiki/Europese_Unie
http://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale
http://en.wikipedia.org/wiki/European_Space_Agency
http://en.wikipedia.org/wiki/Budget_of_NASA
http://csis.org/publication/costs-international-lunar-base

De oorlogen in irak en afghanistan kosten tot nu toe 1.4 miljard, en dat niet in 60 jaar maar in 10 jaar.

Een klein foutje: Dat moet 1.470 miljard zijn.
Maar verder een prima uiteenzetting met goede bronvermelding.

Dat is dus $1,47 biljoen of $1 470 000 000 000. Even ter verduidelijking van punten versus komma's.

Maar als je echt alles, ook indirecte kosten, meerekend: 3 biljoen dollar
Beschamend.

Het ligt wel ietsje gecompliceerder dan je hier schrijft, al klopt het basisprincipe wel.

Allereerst ontbreekt de tijd in het plaatje. De afstand wordt berekend doordat je een afwijking in de tijd waarneemt. Een GPS satteliet stuurt in feite een radiosignaal waarin hij steeds verteld hoe laat het volgens hem is. Jij ontvangt dat signaal later, en uit de hoeveel later precies maak je op hoe lang het signaal onderweg was en wat dus je afstand is tot de bron van het signaal. Je hebt extra satteliet nodig om dit te compenseren, bovenop dat de banen van de verschillende sattelieten bekend zijn bij de devices en de devices deze informatie gebruiken.

Dan heb je nog last van meetonzekerheden. Atmosferische verstoringen zorgen en reflecties kunnen zorgen voor een afwijking in het signaal dat je ontvangt.

Ten derde heb je weldegelijk de hoogte nodig. Hoewel dat door de opzet van het systeem de minst nauwkeurige bepaling is, is hij wel relevant. Allereerst is de aarde namelijk geen bol, maar heeft een wat onregelmatige vorm. Ook voor navigatie is de hoogte van belang, net als voor gebruik in vliegtuigen.

Gelukkig gebruikt GPS niet maar 3 of 4 sattelieten, maar kan je bij goede ontvangst er wel 12 ontvangen. Dat compenseert de onzekerheid heel aardig.

Je aanname dat je bij "Space" gps ook wel 1 punt kan negeren klopt niet.
Het is immers zo dat bij GPS je weet dat de referentiepunten netjes op een bol oppervlak rond de aarde liggen. Bij pulsars kunnen ze overal liggen.
Dus ga even van het volgende uit:
Neem 2 bollen die elkaar net raken -> dan heb je 1 contactpunt.
Plaats de volgende bol nu ook zo dat deze dit punt net snijdt->dan heb je dus met 3 bollen precies 1 snijpunt.
Als je nu 1 (of meer) van deze bollen een klein beetje verplaatst krijg je dus de 2 punten die je beschrijft, maar kan je dus elke mogelijke afstand tussen deze punten krijgen die je maar wil. Dus ook zeg 1000 km uit elkaar...waar het bij een ruimtescheepje met deze ene meting niet te zeggen is wat het correcte punt is...terwijl dit het verschil kan zijn tussen langs een planeet vliegen of te pletter vliegen tegen dezelfde planeet.

bij GPS is het al in 4 dimensies

1. bij mijn weten is het aardoppervlak niet vlak maar sferisch
2. ook de tijd in een onbekende en wordt berekend, geen enkele consumer GPS heeft een atoomklok.
GPS meet wel degelijk ook in de hoogte, maar gaat zijn nauwkeurigheid veelal daarin verstoppen, maar de wiskunde die er achter zit, berekend de 4 dimensies.
meer informatie : zie mijn thesis. (of andere werken)

bij mijn weten is het aardoppervlak niet vlak maar sferisch

Het oppervlak van een bol is tweedimensionaal. Het woord oppervlak zegt het eigenlijk al. Dat dat oppervlak gekromd is in een 3d ruimte is daarbij niet relevant - zonder hoogtebepaling zijn er slechts 2 onbekenden, en daarom zijn 3 satellieten genoeg voor bijv. schepen (zeeniveau) en vliegtuigen (hoogtebepaling dmv een altimeter).

De GPS satellieten hangen ook sferisch om de aarde heen. Dus relatief aan elkaar kun je het net zo goed een plat vlak noemen. Maargoed, de satellieten hangen op ruim 20.000km, dus kromming zal wel meespelen. Desalniettemin is het oppervlak van de aarde zo goed als plat in vergelijking met die 20.000km.

En je zegt het verder zelf al: hoogtemeting is niet nauwkeurig.

In outer space heb je in alle drie de dimensies een even betrouwbare meting nodig. Daar kun je niet stellen dat 1 dimensie een mindere nauwkeurigheid mag hebben dan een andere (en welke is dat dan? in outer space kun je dimensies sowieso niet echt meer benoemen met "lengte", "breedte" en "hoogte"). Dus, meer dan een driehoeksmeting is nodig.

[Reactie gewijzigd door _Thanatos_ op 22 augustus 2013 18:13]

Ben toch wel benieuwd hoe ze zogenaamde "glitches" en "starquakes" waar pulsars aan onderhevig zijn gaan gaan implementeren. Dat betekent dat pulsars om nog onbekende redenen opeens van rotatie snelheid veranderen. Toch vervelend als je plaatsbepaling een paar dagen niet werkt omdat je de software moet updaten

Voor wat meer uitleg hierover klik hier

Toch iets waar ze hopelijk toch rekening mee houden, backup pulsars perhaps?

OT: Ter info op die link kun je HEEL VEEL galaxy informatie vinden... ik kan er uren verdwalen, van artikel naar artikel... ;-)

Ben toch wel benieuwd hoe ze zogenaamde "glitches" en "starquakes" waar pulsars aan onderhevig zijn gaan gaan implementeren. Dat betekent dat pulsars om nog onbekende redenen opeens van rotatie snelheid veranderen. Toch vervelend als je plaatsbepaling een paar dagen niet werkt omdat je de software moet updaten

Voor wat meer uitleg hierover klik hier

Ik vermoed met het gebruik van meer pulsars? Met 4 zijn ze allemaal kritiek, maar gebruik je er 6, dan zal een event op een pulsar niet direct je meting verstoren omdat je nog 5 andere meetpunten hebt. De kans dat 2 of meer pulsar tegelijkertijd zo iets doen lijkt mij vrij sterk

Precies. Dit stelt je in staat om de afwijking van één pulsar detecteren, waardoor je de nieuwe pulsritme van deze pulsar door het software kan laten leren terwijl je de backup pulsars voor de navigatie zelf gebruikt, waarmee de oorspronkelijke pulsar weer bruikbaar wordt voor plaatsbepaling.

OK, dan generen wij onze eigen pulsen... Over 500 jaar?

Ben toch wel benieuwd hoe ze zogenaamde "glitches" en "starquakes" waar pulsars aan onderhevig zijn gaan gaan implementeren.

De meeste pulsars zijn rocksteady, alleen relatief jonge pulsars hebben daar "last" van.Ik denk niet dat het zo'n vaart zal lopen (pun unintended)

SPS dan? De globe hebben ze dan toch ruim verlaten.

Pulsar PS...

GPS: Galactic Positioning System

Mooi hoor dat dat kan tegenwoordig.

Geen automatische piloot meer nodig binnenkort ;

"U nadert een asteroïdenring, neem de derde afslag." of "Sla linksaf over 4 lichtjaar"............

En hoe bepaald nu een satelliet in de ruimte zijn positie dan? Die moet toch ook constant bijgestuurd worden? Of bepalen wij de positie van de satelliet op basis van observatie vanaf aarde en sturen we de satelliet op afstand bij? Is dat sowieso niet een betere manier? Hoe minder complexe apparatuur op plekken waar je eigenlijk niet meer bij kan komen en waar het dus tot nu toe niet nodig was, hoe beter lijkt mij. Kan alleen maar kapot gaan.

Plaats en snelheid zijn relatief, zeker in de ruimte. Aangezien alles in de ruimte beweegt vraag ik mij af hoe je een positie van een object wilt bepalen of wilt aanduiden. Het moet altijd ten opzichte van een ander object zijn. Als een ruimtevaartuig op weg is naar een planeet dan zou je de positie en snelheid kunnen aanduiden ten opzichte van die planeet. Of zou het altijd ten opzichte van de aarde zijn?

Met het hier voorgestelde systeem wordt de positie altijd ten opzichte van de Aarde berekend. In theorie zou het ook een andere planeet kunnen zijn maar dan moeten we daar eerst sterrenwachten op bouwen en die jarenlang laten werken.

Ieder referentiekader in space-time is net zo valide als ieder ander referentiekader. Je moet het alleen definieren, oftewel onderlinge afspraken maken. Wil je een ander referentiekader gebruiken is het simpelweg een kwestie van omrekenen van de coordinaten.

Dat heeft niets te maken met het plaatsen van fysieke objecten.

Nee, bij pulsar navigatie reken je echt terug naar de Aarde omdat daar langdurige metingen van pulsar signalen en de afstand tot de pulsars via andere methoden dan die signalen is gemeten. Je kunt natuurlijk de computer wel zo programmeren dat ie op het scherm je positie aangeeft ten opzichte van Alfa Centauri, maar de computer rekent dan nog steeds terug naar de Aarde en trekt er dan de afstand tussen de Aarde en Alfa Centauri vanaf.

De plaats wordt bepaald ten opzichte van de pulsars. Omdat je de plaats van de Aarde ten opzichte van de pulsars weet, weet je met deze methode dus ook de plaats ten opzichte van de Aarde.
Hetzelfde geldt voor de snelheid.

Gaaf. Dat hadden de makers Decca (https://en.wikipedia.org/wiki/Decca_Navigator_System) denk ik ff niet verzonnen vorige eeuw ;-) Techniek doet me er sterk aan denken.

ZO. privacy zelfs in space een illusie!