Das Astro-Nav-System der SR-71 Blackbird, das selbst tagsüber Sterne verfolgte
(theaviationgeekclub.com)- Die SR-71 Blackbird musste schon vor satellitengestützten Navigationsnetzen über lange Zeiträume mit hoher Geschwindigkeit Aufklärungsmissionen fliegen, und das Nortronics NAS-14V2 ANS korrigierte ihre Position mithilfe von Sternen.
- Das Gerät hinter dem Cockpit des RSO beobachtete Sterne über die obere Linse und aktualisierte damit das Trägheitsnavigationssystem; die Genauigkeit der Kursführung lag bei mindestens 90 m beziehungsweise 300 Fuß.
- Die bis zu 10 Stunden fliegende SR-71 musste ihre eigene Position innerhalb von 1.885 Fuß und innerhalb von 300 Fuß zur Mitte der Flugbahn halten, und das ANS übernahm diese präzise Navigation.
- Das ANS verfolgte mindestens zwei Sterne aus einem Onboard-Sternenkatalog und berechnete mit einem Chronometer die Position relativ zum Boden; dank eines speziellen Quarzfensters und eines Sterntrackers konnte es Sterne sogar am Tag sehen.
- Bei einem Trainingsflug der SR-71A #17972 am 2. Juli 1967 führte ein ANS-Ausfall dazu, dass Jim Watkins und Dave Dempster versehentlich in den mexikanischen Luftraum eindrangen.
Sternbasierte Navigation, die die SR-71 brauchte
- Die SR-71 war ein aus der Lockheed A-12 und der YF-12A weiterentwickeltes strategisches Langstrecken-Aufklärungsflugzeug mit Mach 3+.
- Der erste Flug der SR-71 fand am 22. Dezember 1964 statt, und die erste einsatzbereite Maschine wurde im Januar 1966 an den 4200th, später 9th Strategic Reconnaissance Wing auf der Beale Air Force Base in Kalifornien ausgeliefert.
- Kelly Johnson erinnerte sich in einem Beitrag von Lockheed Martin daran, dass die Blackbird einer völlig anderen Kategorie als frühere Flugzeuge angehörte und man „alles erfinden musste“.
- Auf Basis der Erfahrungen aus dem A-12-Programm entschied die US Air Force, dass für den sicheren Betrieb der SR-71 eine zweiköpfige Besatzung nötig war.
- Der Pilot übernahm die Flugsteuerung und die Überwachung der automatischen Systeme.
- Der Reconnaissance Systems Officer, kurz RSO, war für Kameras, Sensoren, Verteidigungssysteme und Navigationssysteme zuständig.
Das „R2-D2“ hinter dem RSO
- Der RSO bediente die im Flugzeug installierten Überwachungs- und Verteidigungssysteme.
- Dazu gehörte ein ausgeklügeltes System für Electronic Counter Measures, das die meisten Erfassungs- und Zielradare stören konnte.
- Auch das Nortronics NAS-14V2 Astroinertial Navigation System, also das ANS, gehörte zu den vom RSO bedienten Systemen.
- Laut der Smithsonian Institution lieferte das ANS der SR-71 schnelle astronomische Positionskorrekturen.
- Das ANS war hinter dem Cockpit des RSO montiert und erhielt nach dem Erscheinen des Films Star Wars im Jahr 1977 den Spitznamen R2-D2.
- Es berechnete die Navigationsposition anhand der Sterne, die über die Linse auf der Oberseite beobachtet wurden; diese Werte wurden zur Aktualisierung des Trägheitsnavigationssystems und für die Kursführung genutzt.
- Die Genauigkeit der Kursführung lag bei mindestens 90 m beziehungsweise 300 Fuß.
- Einige heutige Flugzeuge und Raketensysteme verwenden verbesserte Versionen als GPS-Backup.
Das ANS arbeitete wie ein GPS der 1960er Jahre
- Das ANS kam einem GPS der 1960er Jahre nahe, nutzte aber statt Satelliten Sterne zur Positionsbestimmung.
- In einer Zeit ohne moderne satellitengestützte Navigationsnetze gab es für die in den Einsatzgebieten der SR-71 benötigte Präzisionsnavigation keine Alternative.
- Die SR-71 musste auch während bis zu 10 Stunden Hochgeschwindigkeitsflug ihre Position präzise halten.
- Ihre eigene Position musste innerhalb von 1.885 Fuß beziehungsweise 575 m gehalten werden.
- Sie musste innerhalb von 300 Fuß beziehungsweise 91 m zur Mitte der Flugroute bleiben.
- Das ANS stellte präzise Zielinformationen für bestimmte Ziele in feindlichem Gebiet bereit.
- Das Gerät fungierte auch als Kreiselkompass, der sogar die Erdrotation erkennen konnte, während die SR-71 vor dem Start auf der Startbahn stand.
- Der RSO konnte die Koordinaten eines Punkts auf der Startbahn mit den Werten des ANS vergleichen, und beide stimmten fast immer exakt überein.
Programmierung vor dem Flug und Sternbeobachtung am Tag
- Das ANS verfolgte gleichzeitig mindestens zwei Sterne aus seiner Onboard-Liste und berechnete mit Hilfe eines Chronometers die bodenbezogene Position der SR-71.
- Vor jedem Flug wurden die Grundausrichtung des Flugzeugs und der Flugplan auf Lochstreifen gespeichert.
- Der Lochstreifen lieferte dem Flugzeug die folgenden Informationen:
- wohin es fliegen sollte
- wann es abbiegen sollte
- wann Sensoren ein- und ausgeschaltet werden sollten
- Die Sterne wurden durch ein spezielles Quarzfenster hinter dem Cockpit des RSO beobachtet.
- Ein spezieller Sterntracker konnte Sterne sogar tagsüber sehen.
- Nicht jede Mission nutzte dieselben Sterne; je nach Fluggebiet kamen unterschiedliche Sterne zum Einsatz.
- Bei Flügen über die Südhalbkugel wären nur dort sichtbare Sterne verwendet worden, allerdings ist nicht bestätigt, ob die SR-71 tatsächlich über der Südhalbkugel flog.
Zuverlässigkeit und Grenzen im realen Einsatz
- Sobald die SR-71 ihre Reisegeschwindigkeit und Einsatzhöhe erreicht hatte, konzentrierte sich die Mission darauf, mit Kameras und Sensoren Informationen über feindliche oder potenziell feindliche Staaten zu sammeln.
- Air-Force-Colonel Jim Watkins beschrieb den Flug in 85.000 Fuß Höhe bei Mach 3 als „fast eine religiöse Erfahrung“.
- Unter den RSOs kursierte über das ANS der Spruch: „Niemand kann die Sonne, den Mond, die Planeten oder die Sterne stören oder abschießen.“
- Am 2. Juli 1967 führten Jim Watkins und Dave Dempster mit der SR-71A #17972 ihren ersten internationalen Einsatz durch.
- Bei dieser Trainingsmission trat ein ANS-Ausfall auf, und die Besatzung drang versehentlich in den mexikanischen Luftraum ein.
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Anfang der 1990er, als Windows Mobile kurz in Mode war, habe ich eine Sternkarten- und Ephemeriden-App namens Pocket Stars entwickelt.
Ursprünglich war sie dafür gedacht, dass Hochseesegler bei einem GPS-Ausfall aus drei oder mehr Sextantenbeobachtungen ihre geografische Position berechnen konnten, aber aus schwer nachvollziehbaren Gründen kaufte ein israelischer Militärdienstleister große Stückzahlen davon.
Vermutlich sollte sie Panzern und Truppen noch zur Orientierung dienen, nachdem alle anderen elektronischen Geräte ausgefallen waren; das war meine 15-minütige Verwicklung im Stil von Dr. Strangelove.
In der US Navy war dieses Organisationswissen verschwunden, bei der Küstenwache war es aber noch vorhanden; Ziel war die Navigation in Gebieten, in denen GPS nicht nutzbar ist.
https://slate.com/technology/2015/10/u-s-naval-academy-reins...
Nur ein Scherz, aber ich schäme mich auch kaum dafür, früher WinMo-Entwicklung gemacht zu haben.
Ohne zu googeln, nur aus der Erinnerung wiedergegeben, fühlt sich das an wie Ende des 20. Jahrhunderts in einer Bar, wo man nicht überprüfbare Fakten austauschte.
Unter den alten Freunden meiner verstorbenen Mutter war ein pensionierter Ingenieur, der behauptete, er habe die zweistöckige Thunfischdose erfunden, und der aus seinem damaligen Geschäft übrig gebliebene Titan-Guss-Endstücke verschenkte.
Er hatte wohl zwei polierte Quarzkristall-Zylinder von ungefähr 8 × 4 Zoll; sie waren so plan, dass man sie kaum senkrecht voneinander trennen konnte, wenn man einen Tropfen Alkohol dazwischen gab.
Er behauptete, diese Teile stammten aus dem Navigationssystem der Polaris-Atomrakete, und die Navigation habe funktioniert, indem man Sterne beobachtete, sie mit extrem präzisen Zeitstempeln abglich und so etwas wie Log-Tabellen im Kernspeicher verwendete.
Falls daran etwas falsch ist, tut es mir leid, aber er wirkte ziemlich plausibel, und diesmal schreibe ich bewusst ohne Google.
Da steckte viel Geometrie drin.
Während des Kalten Kriegs wurden vor der Küste Kaliforniens von U-Booten Teststarts durchgeführt, und die Raketen gingen über das US-Festland hinweg vor der Küste Floridas nieder.
Die Sowjets schickten immer „Fischerboote“, um die Tests zu vermessen, aber die Küstenwache vertrieb sie nicht; im Gegenteil, man wollte, dass die Sowjets wussten, wie genau diese Raketen waren.
Wenn man bedenkt, was mit analoger Technik möglich war, ist das erstaunlich.
https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_flat#Wringing
Ich weiß nicht, warum man in einem Raketen-Navigationssystem optische Planplatten verwendet hätte, aber es macht mich neugierig.
Er sagte, nachdem ein Gabelstaplerfahrer ein Trident-Leitsystem fallen gelassen hatte, müsse er eine Simulation durchführen, um zu entscheiden, ob es zur Wiederaufarbeitung an die Navy zurückgeschickt werden müsse.
In der Transportkiste waren offenbar Sensoren für grobe Behandlung eingebaut; vermutlich hing in drei Achsen jeweils ein kalibriertes Gewicht an einem dünnen Draht, und anhand der gerissenen Drähte konnte man den Bereich der maximalen Beschleunigung abschätzen.
Mir wurde erzählt, dass die Lenkeinheit des MIRV-Busses, sobald sie den größten Teil der Atmosphäre verlassen hat, eine Linsenabdeckung öffnet und Sterne fotografiert.
Zu diesem Zeitpunkt rotiert der MIRV-Bus, sodass das Teleskop einen ziemlich großen Himmelsbereich abtastet, aber die Aufnahme erfolgt zu einem sehr bestimmten Zeitpunkt, und der relevante Bereich ist nur ein recht kleines Stück Himmel.
Ich hörte, dass das beobachtete Sternmuster mit einer gespeicherten Referenzansicht verglichen wird, um die Inertialmesseinheit neu zu kalibrieren; in einer Umdrehung wird das Sternfeld überprüft, in der nächsten Umdrehung die Korrektur verifiziert, und unmittelbar danach beginnt die Abtrennung der einzelnen Sprengköpfe.
Es wirkt merkwürdig, die Inertialmesseinheit mit einem so kurzen Beobachtungsfenster neu zu kalibrieren, aber gut möglich, dass man einem nicht autorisierten Praktikanten absichtlich falsche Informationen gab, um nicht versehentlich TS/SCI-Informationen preiszugeben.
Die Details solcher Leitsysteme sind faszinierend, aber es ist bedauerlich, dass der Hauptzweck hochpräziser Führung Waffen sind.
In einer Glasvitrine des Labors stand ein Pendel-Integrations-Gyro-Beschleunigungsmesser aus einer Apollo-Inertialmesseinheit; schade, dass nur äußerst wenige Leute hineindurften, um ihn zu sehen.
Auch Navigationssysteme wie Gyroskope kann man dort aus der Nähe sehen.
Es ist spannend, dieses technische Niveau aus nächster Nähe und im Detail betrachten zu können; solche Gelegenheiten gibt es nicht oft.
Als ich vor etwa zehn Jahren dort war, habe ich ein paar Fotos gemacht.
Es ist ein kleines Museum und ziemlich zusammengewürfelt, hat aber auch ungewöhnliche Ausstellungsstücke wie ein Modell der Miles M.52 und einen echten Fairey Jet Gyrodyne.
https://museumofberkshireaviation.co.uk/html/exhibits/cheval...
https://www.flickr.com/photos/stevecargill/albums/7217772030...
Das klingt nach einer Art Koppelnavigation; kann jemand erklären, wie Sternbeobachtung und flache Quarzscheiben zusammenhängen?
Die Formulierung „[es war] leistungsfähig genug, um auch tagsüber Sterne zu sehen“ ist ziemlich seltsam.
In 85.000 Fuß Höhe, also auch der Reiseflughöhe der SR-71, befindet sich das Konzept eines blauen „Taghimmels“, der den Blick ins All verdeckt, nur unter einem, nicht darüber.
In dieser Höhe gibt es nicht genug Rayleigh-Streuung, um eine Kamera zu stören, die nach Sternen sucht, um sie mit einer Sternkarte abzugleichen.
Im Grunde nutzte man Sternnavigation, weil man, wenn man praktisch halb im Weltraum ist, die Sterne immer sehen kann.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html
Es gibt interessante Patente zu den Sternsensoren dieses Geräts, insbesondere im Zusammenhang mit dem Gradienten des Himmelshintergrunds.
Persönlich finde ich die Northrop-Patente interessanter als die von Lockheed, und in allen Fällen erwähnen die Patente den Einsatz eines Infrarot-Durchlassfilters, um den Kontrast zu erhöhen.
Der Sensor ist im Grunde ein analoger Lock-in-/Synchron-Detektor mit einem rotierenden Verschluss und einem Keilprisma, das das Sternbild um die Sichtachse präzedieren lässt.
In den meisten Patenten ist der Verschluss die Schlüsselkomponente; es gibt verschiedene Muster, und Northrop hatte ein ziemlich cleveres Design.
Aus der Photomultiplier-Röhre kommt ein frequenzmoduliertes Signal: Der Träger stammt vom Verschluss, die Modulationsfrequenz aus der Differenz zwischen Prisma und Verschluss.
Misst man Phase und Amplitude des modulierten Signals, kann man das Teleskop auf den Stern ausrichten, und der Coding Gain aus dem Lock-in ist beträchtlich.
Frühere Kommentare:
https://news.ycombinator.com/item?id=27084261
https://news.ycombinator.com/item?id=23238437
https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...
Da Streuung proportional zur vierten Potenz der Frequenz ist, wird das Streulicht deutlich geringer, wenn man bis in den Infrarotbereich hinuntergeht.
Das ist auch der Grund, warum der Himmel blau ist; könnten wir es sehen, läge er eigentlich näher am Ultraviolett.
Die Erkennungssoftware für Astrofotografie ist ebenfalls ziemlich gut, sodass es Spaß gemacht hat, Film-Screenshots zu nehmen und herauszufinden, ob die Sterne echt sind und ob es die richtige Hemisphäre ist.
Ohne Zeit und Kamerarichtung lässt sich das allerdings nicht zur Positionsbestimmung nutzen.
Im Evergreen Aerospace Museum in McMinnville, Oregon, kann man dieses Gerät und das Flugzeug aus der Nähe sehen.
Außerdem ist dort ein anderes Blackbird-Nutzlastmodul mit der Kennzeichnung DEF-H ausgestellt; es sieht aus wie ein schlichter weißer Kasten, und man kann es zwar sehen, aber nicht herausfinden, wozu es dient.
Auf Fotos bekommt man dafür kein richtiges Gefühl, aber in Wirklichkeit war es ein riesiges Flugzeug.
Ich bin kein Experte, aber nach meinem Verständnis war die A-12 letztlich so etwas wie eine Beta-Version des Flugzeugs, das zur SR-71 führte.
https://sandiegoairandspace.org/collection/item/lockheed-a-1...
Neben diesem Gerät gibt es dort auch die Spruce Goose, das größte Holzflugzeug der Geschichte, und sie ist wirklich gewaltig.
https://www.evergreenmuseum.org/exhibit/the-spruce-goose/
http://www.sr71.us/sr_sensors_pg3.htm
Etwas am Rande: Gestern kam die Hokulea, eine Nachbildung eines traditionellen polynesischen Hochsee-Kanus, in San Francisco an.
Sie navigierte mit nicht-instrumentellen Methoden, einschließlich Sternbeobachtung.
https://www.sfchronicle.com/bayarea/article/hokulea-polynesi...
Die erste Fahrt der Hokulea war 1975; seitdem ist sie um die Welt gesegelt, um die alten polynesischen Methoden der Wegfindung zu demonstrieren und zu bewahren.
Ein lokaler Nachrichtensender berichtete über eine frühere Reise im Jahr 2014 und hat auch ein Video, das zusammenfasst, wie alte Navigatoren Sterne als Referenzpunkte nutzten.
https://youtu.be/dla3RoQo37M
Es ist recht bekannt, dass dieses Wissen fast verschwunden wäre, weil es idealerweise draußen auf dem Meer gelehrt wird.
Inzwischen gibt es aber wieder Menschen in ihren Dreißigern, die anhand von Sternen, Geräuschen, Form und Mustern der Wellen, Wolkenformationen und Vögeln navigieren können.
https://manoa.hawaii.edu/exploringourfluidearth/physical/nav...
Ähnlich gibt es auch Menschen, die sich in der Wüste orientieren können, obwohl sich die Sanddünen dort größtenteils ständig verändern.
Ich habe mich gerade mit Kollegen über die besten Bedingungen für Surfwellen unterhalten.
Gute Wellen in Kalifornien entstehen durch Stürme auf der anderen Seite des Pazifiks, und die Wellen legen über mehrere Tage Tausende Meilen zurück, ohne merklich schwächer zu werden.
Wenn man sich für die SR-71 und andere Aufklärungsflugzeuge aus dem Kalten Krieg interessiert, ist Ben Richs Skunkworks ein faszinierendes Buch mit vielen interessanten Details zur Entwicklung.
Eine weitere interessante Tatsache: Im Jahr 2025 rückt der Erstflug der SR-71 historisch näher an den Wright Flyer heran als an die Gegenwart.
Ich habe in JavaScript einen digitalen Sextanten/Navigationscomputer als Beispiel gebaut.
Wegen der eingeschränkten Unterstützung für Kamerasteuerung im Browser ist er praktisch nur begrenzt nützlich, aber normalerweise kommt man damit bis auf 10 Meilen an die tatsächliche Position heran.
Ich habe ihn hauptsächlich als Beispiel dafür gebaut, wie der Algorithmus funktioniert, für einen Vortrag bei der Louisville Astronomical Society.
App:
https://www.celestialprogramming.com/apps/celestialfix/sexta...
Vortragsvideo, der Ton ist sehr leise:
https://www.youtube.com/watch?v=5kAqcZYmWjA&t=5s
Ich habe eine Spielzeug-Implementierung einer Sternkamera gebaut: https://nickp.svbtle.com/star-cameras
Im Quellcode ist er zu sehen, aber es wirkt, als würden nur zwei Sterne verwendet; ich frage mich, wie das funktioniert.
Soweit ich weiß, verwenden ASTAP und Astrometry.Net drei oder vier Sterne und berechnen die Winkel und Abstände zwischen ihnen.
Interessant ist, dass nicht bestätigt ist, ob die SR-71 auf der Südhalbkugel geflogen ist.
Wenn sie es tatsächlich nicht tat und das System auch nicht dafür ausgelegt war, wäre das ein ziemlich kühnes Design gewesen.
Deshalb ist es vielleicht besser anzunehmen, dass Dinge, die man nicht getestet hat, überhaupt nicht funktionieren, und innerhalb dieser Grenzen zu leben.
Das klingt nach einem zu vorhersehbaren Problem, um sicher zu sein, ob ich die Geschichte wirklich gehört habe, und es ist schwer, passende Suchbegriffe bei Google zu finden.
Das könnte allerdings bedeuten, dass man zwei Sterne verwenden musste, die nur auf der Südhalbkugel sichtbar sind.
https://airandspace.si.edu/webimages/collections/full/NAS-14...
Als ich zum ersten Mal von astronomischer Navigation für Raketen hörte, klang das futuristisch, wie Star Trek.
Inzwischen mache ich aber häufig Astrofotografie, und es ist einfach ein weiteres Werkzeug, das ich nutze.
Das Verfahren ist sehr simpel: Man nimmt ein Foto des Nachthimmels auf, und wenn man nur die Brennweite der Kamera und die Pixelgröße kennt, kann man innerhalb weniger Sekunden mit einer Genauigkeit von 2,5 Bogensekunden herausfinden, wohin mein Teleskop genau zeigt.
Ein Blind-Verfahren, das keinerlei Informationen über Teleskop oder Kamera kennt, ist ebenfalls möglich, dauert dann aber ein paar Minuten.
Heute kann ein durchschnittlicher Mensch mit durchschnittlicher Hardware sofort Dinge abschätzen, für die früher die besten Observatorien der Welt großen Aufwand betreiben mussten.
https://en.wikipedia.org/wiki/Fundamental_ephemeris