Der elektromechanische Winkelcomputer im Star-Tracker des B-52-Bombers

• Zur Automatisierung der astronomischen Navigation ist ein elektromechanischer Analogrechner verbaut, der Sternpositionen verfolgt und anhand der aktuellen Position Höhe und Azimut berechnet
• Das System beginnt die Suche nur mit der ungefähren Sternposition sowie ungefährer Breite, Länge und Flugzeugnase-Ausrichtung und ermittelt mittels spiral search pattern und iterativen Berechnungen genauere Werte
• Für die Berechnung der Sternposition werden Zeit- und Himmelsdaten aus dem Air Almanac sowie Koordinaten wie SHA, Deklination und LHA verwendet; globale Himmelskoordinaten werden in das auf das Flugzeug bezogene horizontale Koordinatensystem umgerechnet
• Der Kernmechanismus löst das Navigationsdreieck mechanisch mithilfe eines physischen Modells der Himmelskugel, Zahnrädern, Schiebern, Motoren und Synchro-Ausgängen und berechnet so altitude und azimuth
• Das Gerät lieferte damit letztlich eine heading-Genauigkeit von 0,1 Grad und unterstützte sogar die Positionsbestimmung auf Basis der line of position; es war ein wichtiger Baustein der Automatisierung der Luftnavigation in der Zeit vor der Digitalisierung

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Überblick über das Astro-Compass-System

• Der Angle Computer ist ein elektromechanischer Analogrechner im Astro Compass des B-52-Bombers, der Sternpositionen automatisch verfolgt und die für die Navigation nötigen Winkel berechnet
  • In der Luftnavigation vor GPS wurde astronomische Navigation verwendet
  • Astronomische Navigation ist präzise, schwer zu stören und benötigt keine Funkinfrastruktur, ist aber manuell aufwendig und zeitintensiv
  • Anfang der 1960er Jahre wurde für die B-52 ein automatisiertes System entwickelt
  • Da digitale Computer damals ungeeignet waren, wurden trigonometrische Berechnungen mit einem elektromechanischen Analogrechner durchgeführt

• Die wichtigste Ausgabe des Astro Compass ist ein heading mit sehr hoher Genauigkeit, nämlich 0,1 Grad

  • Später konnte er auch mit der line of position-Methode zur Positionsbestimmung genutzt werden
  • Der Astro Tracker ist die optische Nachführeinheit des Astro Compass und ein zentrales Bauteil, das oben am Flugzeug montiert ist
  • Enthält eine 4-Zoll-Glaskuppel, die aus der Oberseite des Rumpfs herausragt
  • Im Inneren ist ein Nachführteleskop verbaut
  • Sternenlicht wird mit einer photomultiplier tube detektiert
  • Ein Gyroskop und ein komplexes Motorsystem stellen eine stable platform bereit, die das Teleskop auch bei Neigung und Bewegung des Flugzeugs präzise senkrecht hält
  • Ein Prisma wird gedreht und geneigt, um einen bestimmten Stern anzuvisieren
  • Der Astro Compass muss von der ungefähren Sternposition am Himmel nur so viel wissen, dass der Sensor in die richtige Richtung zeigt
  • Die Richtungsgenauigkeit muss nicht perfekt sein
  • Das Gerät führt ein spiral search pattern aus, um den Stern zu finden
  • Der Suchbereich beträgt in Azimut ±4° und in Höhe ±2,5°
  • Zum Vergleich: Der scheinbare Monddurchmesser beträgt etwa 0,5°
  • Das gesamte Astro-Compass-System besteht aus insgesamt 19 Komponenten
  • Rechts sind 10 Verstärker- und Computerkomponenten zur Systemsteuerung angeordnet
  • Der Angle Computer befindet sich darunter rechts
  • Links sind 9 Steuer- und Anzeige-Panels für den B-52-Navigator angeordnet
  • Beispiele sind das Line of Position display, das Master Control panel, das Heading Display panel und das Indicator Display panel

• Systembezeichnung und Unterlagen

  • Die Bezeichnung des Angle Computer wird als "Computer, Altitude-Azimuth, Automatic Astro Compass Type MD-1" bestätigt
  • Auf dem Gerät ist außerdem ein "MD-3"-Aufkleber angebracht
  • Es wird erwähnt, dass dasselbe System auch "Kollsman KS-50-03 Astro Tracking System" oder 50-08 genannt werden kann
  • Als zugehörige Unterlagen werden Operating Instructions Handbook, Operating Instructions Pocket Manual, The Celestial Tracker as an Astro Compass sowie das Patent Celestial Data Computer genannt

• Äußere Form und Verpackung

  • Von außen erscheint der Angle Computer als schwarzes zylindrisches Gehäuse mit Steckverbindern an den Enden
  • Der Zylinder ist mit verlöteten Metallbändern versiegelt
  • Über ein Einlassventil in der Mitte steht er unter Druck mit trockenem Stickstoff
  • Das Ventil ist ein Schrader valve wie bei Autoreifen

• Verbindungen und Datenfluss

  • Im physischen Verbindungsdiagramm ist der Angle Computer als Alt Az Computer bezeichnet
  • Im Blockdiagramm wird er als Altitude Azimuth Computer bezeichnet
  • Die beiden Diagramme zeigen jeweils die physischen Verbindungen der Komponenten und den Datenfluss innerhalb des Systems

Bedienung und Eingabedaten

• Das Master Control Panel bietet eine Benutzerschnittstelle, bei der Werte einzeln ausgewählt und per Drehknopf eingegeben werden
  • Zuerst werden Daten wie die Uhrzeit, die SHA von Stern Nr. 1 oder die Deklination von Stern Nr. 3 ausgewählt
  • Danach wird der Set Control-Drehknopf im oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht, um bis zum gewünschten Wert zu scrollen
  • Jeder Drehknopf hat eine andere geometrische Form
  • Dadurch lassen sich die Knöpfe allein durch Tasten unterscheiden
• Jeder Datenwert wird auf einer elektromechanischen Anzeige dargestellt
  • Das Star Data display zeigt den sidereal hour angle und die Deklination eines Sterns an
  • Es sieht wie eine digitale Anzeige aus, ist tatsächlich aber ein analoger Ziffernring, der von einem Synchro-gesteuerten Motor angetrieben wird
  • Das System besitzt 3 Star Data displays
  • Damit können die Positionen von drei Sternen gleichzeitig gespeichert werden
  • Das System nutzt immer nur einen Stern gleichzeitig, kann aber über den Star switch schnell zwischen Sternen umschalten
• Der Astro Compass erhält Breite und Länge normalerweise vom bombing computer
  • Die ungefähre Ausrichtung der Flugzeugnase wird vom Magnetkompass unter der Bezeichnung BATH, Best Available True Heading eingespeist
  • Bei Bedarf können all diese Werte auch manuell eingegeben werden
• Es könnte wie ein chicken-and-egg-Problem wirken, dass man für die Navigationsberechnung Position und Kurs kennen muss, um Höhe und Azimut eines Sterns zu berechnen
  • Tatsächlich reichen ungefähre Werte für Breite, Länge und Flugzeugnase-Ausrichtung aus
  • Die zulässige Abweichung bei der Flugzeugnase-Ausrichtung liegt bei unter 4°
  • Auf dieser Basis berechnet das System genauere Werte für Breite, Länge und Flugzeugnase-Ausrichtung
  • Wird dieser Vorgang wiederholt, konvergieren die Werte
  • Der Magnetkompass liefert eine grobe Flugzeugnase-Ausrichtung, dead reckoning oder inertial navigation liefern eine grobe Position
  • Die genaueren Informationen des Astro Compass werden anschließend wieder genutzt, um die Genauigkeit von dead reckoning oder inertial navigation zu verbessern

Astronomische Daten und Zeitbezug

• Informationen zu Himmelskörperpositionen stammen aus dem Air Almanac
  • Herausgegeben von der US-Regierung seit 1941
  • Alle 4 Monate erscheint ein neuer Band
  • Für jeden Tag gibt es ein Blatt
  • Die Daten liegen in 10-Minuten-Intervallen vor
  • Die erste Spalte ist GMT
  • Die übrigen Spalten enthalten die Sonnenposition, den First Point of Aries(♈︎), die Positionen beobachtbarer Planeten und die Mondposition
  • Sternpositionen werden in separaten Tabellen und Karten bereitgestellt; da Sterne nahezu stationär sind, gibt es keine täglichen Aktualisierungen
• Greenwich Mean Time wurde heute größtenteils durch UTC ersetzt
  • GMT ist ein System, das sich am Zeitpunkt orientiert, zu dem die Sonne über dem Längengrad 0° in Greenwich ihren höchsten Stand erreicht
  • Die Sonnenzeit schwankt, weil die Erdbahn elliptisch ist und die Länge des Sonnentags im Jahresverlauf um fast 1 Minute variiert
  • Um dies auszugleichen, wurde die Mean Time eingeführt, bei der ein Tag im Jahresmittel genau 24 Stunden hat
  • UTC wird nicht durch die Sonnenposition über Greenwich, sondern durch Atomuhren definiert
  • Der Unterschied zwischen beiden Systemen beträgt höchstens 0,9 Sekunden
  • Zur Synchronisierung werden UTC leap seconds hinzugefügt
• Die Länge des solar day relativ zur Sonne und des sidereal day relativ zu den Sternen ist unterschiedlich
  • Der solar day entspricht den üblichen 24 Stunden
  • Der sidereal day beträgt 23 Stunden 56 Minuten 4 Sekunden
  • Daher kann ein Jahr als 366,25 sidereal days oder 365,25 solar days ausgedrückt werden

Koordinatensysteme und Berechnung der Sternposition

• Das Air-Almanac-Koordinatensystem und das lokale Koordinatensystem des Flugzeugs sind unterschiedlich; für die Berechnung der Sternposition ist daher eine Koordinatentransformation nötig
  • Verwendung von sphärischer Trigonometrie und des navigational triangle
  • Der Astro Compass verwendet globale Koordinaten nicht direkt, sondern benötigt lokale, auf das Flugzeug bezogene Koordinaten
• Das horizontale Koordinatensystem ist das lokale Koordinatensystem, das zum Ausrichten des Teleskops verwendet wird
  • Azimuth ist die Richtung bei einer 360°-Drehung entlang des Horizonts
  • Der Punkt direkt über dem Kopf ist der zenith
  • Der vom Horizont nach oben bis zum Zenit gemessene Winkel ist die altitude
  • Die Position eines bestimmten Sterns wird durch die beiden Werte azimuth und altitude ausgedrückt
  • Da dieses Koordinatensystem ortsgebunden ist, ändern sich azimuth und altitude desselben Sterns auch, wenn sich der Ort ändert
  • Wegen der Erdrotation ändern sich beide Werte außerdem ständig mit der Zeit
• Die Formeln zur Berechnung von altitude und azimuth sind komplex und enthalten sine, cosine, arcsine und arctangent
  • Auf Langzeitbelichtungen von Sternspuren zeichnet jeder Stern einen Kreis um Polaris
  • Entlang dieser Kreisbahnen ändern sich altitude und azimuth trigonometrisch
  • Diese Berechnung führt der Angle Computer elektromechanisch aus
• Die Himmelskugel ist ein Modell, in dem Sterne als auf der Oberfläche einer großen Kugel fixiert betrachtet werden, die die Erde umgibt
  • Die Erde rotiert in ihrer Mitte einmal pro Sterntag
  • Die Verlängerung des Erdäquators ist der celestial equator
  • Entsprechend den Erdpole gibt es celestial poles
  • Positionen auf der Erde werden durch latitude und longitude angegeben
  • Sternpositionen werden entsprechend durch declination und sidereal hour angle, SHA ausgedrückt
  • Der Nullmeridian ist durch den Verlauf durch Greenwich definiert
• Der 0°-Himmelsmeridian ist nicht der Greenwich-Meridian, sondern durch die Position der Sonne zum vernal equinox definiert
  • Die Sonne bewegt sich auf der Himmelskugel einmal pro Jahr rundherum
  • Wegen der Neigung der Erdachse liegt die Sonne während der Hälfte des Jahres über dem Äquator und während der anderen Hälfte darunter
  • Die Zeitpunkte des Äquatordurchgangs sind das vernal equinox (März) und das autumnal equinox (September)
• Dieser Referenzpunkt wird First Point of Aries (♈︎) genannt
  • Heute steht die Sonne an diesem Punkt in Pisces
  • Der Name Aries bleibt jedoch erhalten
  • Hipparchus definierte im Jahr 130 v. Chr. den First Point of Aries als Ausgangspunkt der Sonnenbewegung
  • Damals stand die Sonne zum Frühlingspunkt tatsächlich in Aries
  • Die Richtung der Erdachse unterliegt der precession of the equinoxes mit einem Zyklus von 26.000 Jahren
  • Dadurch wanderte die Sonnenposition von Aries nach Pisces
  • Seit der ersten Produktion der B-52 hat sich der Frühlingspunkt um 1° weiter verschoben
• Die Umwandlung fester Sternkoordinaten in das rotierende Koordinatensystem der Erde erfolgt durch Addition und Subtraktion von Winkeln
  • Zuerst wird der Greenwich Hour Angle of Aries, GHA ♈︎ für den betreffenden Zeitpunkt nachgeschlagen
  • Dann wird der SHA des Sterns nachgeschlagen
  • Beide werden addiert, um den Greenwich Hour Angle des Sterns zu berechnen
  • Davon wird die longitude des Flugzeugs abgezogen, um den Local Hour Angle, LHA zu erhalten
  • Da dieser Schritt nur aus Additionen und Subtraktionen besteht, lässt er sich mechanisch gut mit differential gears verarbeiten
• Schließlich wird das navigational triangle gelöst, um azimuth und altitude zu berechnen
  • Die Eckpunkte sind der North Pole, der zenith über dem Flugzeug und der Stern
  • Bekannt sind zwei Seiten und ein Winkel
  • Die erste Seite ist 90° - declination
  • Die zweite Seite ist 90° - latitude
  • Der eingeschlossene Winkel ist der LHA
  • Löst man den Winkel am Zenit, erhält man den azimuth
  • Löst man die dritte Seite, erhält man 90° - altitude
  • In der manuellen Navigation lässt sich dies mit dicken sight reduction-Tabellen und Rechnungen bewältigen
  • Der Zweck des Angle Computer ist die automatisierte mechanische Verarbeitung

• SHA und Rektaszension

  • In der astronomischen Navigation wird zur Messung von Sternpositionen relativ zum Meridian SHA verwendet
  • In der Astronomie wird häufig right ascension verwendet
  • Right ascension wird in entgegengesetzter Richtung gemessen, und die Einheit sind nicht Grad, sondern hours
  • Die Beziehung lautet RA = (360° - SHA) / 15°

• Mittlerer Frühlingspunkt und scheinbarer Frühlingspunkt

  • Die Erde ist keine perfekte Kugel, daher taumelt ihre Rotationsachse mit einem 18,6-Jahre-Zyklus
  • Für viele Zwecke verwendet man den gemittelten mean equinox
  • Der tatsächliche physikalische Frühlingspunkt ist der apparent equinox
  • Greenwich Mean Sidereal Time, GMST basiert auf dem mean equinox
  • Greenwich Apparent Sidereal Time, GAST basiert auf dem apparent equinox
  • Der Unterschied zwischen beiden Frühlingspunkten ist die equation of the equinoxes
  • Die Größenordnung des Unterschieds beträgt etwa weniger als 1,1 Sekunden

• Kodeklination und Kokreisbreite

  • 90° - declination** ist** die co-declination

  • 90° - latitude** ist** die co-latitude

    • Zur Lösung des Dreiecks können das spherical law of sines und das spherical law of cosines verwendet werden
    • Alternativ wird die Anwendung von rotation matrices durch Wechsel des Koordinatensystems erwähnt

• Veränderung der Sternpositionen

  • Sterne bewegen sich in unterschiedliche Richtungen, aber bei den meisten Sternen ist die sichtbare Änderung der proper motion sehr klein
  • Es wird jedoch erwähnt, dass beim Vergleich des 1960 Air Almanac mit dem 2026 Air Almanac viele Sterne in der Liste um mehr als 1 Grad verschoben erscheinen
  • Als Ursache wird die precession of the equinoxes genannt
  • Es wird außerdem erklärt, dass sich die Änderungsmenge von Stern zu Stern unterscheidet, weil die Winkeländerung von der Sternposition abhängt und SHA in Polnähe übertrieben dargestellt wird

Mechanismus des Angle Computer

• Die Aufgabe des Angle Computer besteht darin, das navigational triangle mechanisch zu lösen
  • Die Eingabewerte sind die declination des Sterns, LHA und die latitude des Beobachters
  • Daraus werden die altitude und der azimuth des Sterns am aktuellen Standort berechnet
• Das zentrale Konzept des Geräts ist eine Struktur, die die Himmelskugel physisch modelliert – mit einer Halbkugel von 2 5/8 Zoll Radius
  • Der Sternzeiger wird mechanisch an einer bestimmten Position auf der Kugeloberfläche platziert
  • Verwendet werden dabei die Werte declination und LHA
  • Hinzu kommt die latitude des Beobachters
  • Der Sternzeiger bewegt den Ablesemechanismus und wandelt dies in azimuth und altitude um
  • Die Koordinatentransformation und die Lösung des navigational triangle werden als physische Darstellung umgesetzt
• Der Eingabemechanismus positioniert den Sternzeiger auf der zweidimensionalen Oberfläche der Kugel
  • Ein U-förmiger declination arm schwenkt nach oben und unten und entspricht der declination des Sterns
  • Der declination arm rotiert gleichzeitig kontinuierlich um die polar axis
  • Diese Rotation wird durch die LHA festgelegt
  • Während eines sidereal day vollendet der Mechanismus einen vollständigen Zyklus
  • Der latitude arm bewegt den gesamten Mechanismus nach oben oder unten und berücksichtigt so die Breite des Beobachters
  • Die drei Zahnräder auf der rechten Seite liefern die Eingaben für latitude, LHA und declination
  • Der Moment, in dem der Sternzeiger das Ende des halbkreisförmigen azimuth arc erreicht, entspricht dem Erreichen des Horizonts und dem Untergang des Sterns
• Der Ausgabemechanismus ermittelt anhand der Bewegung des Sternzeigers altitude und azimuth
  • Das zentrale Bauteil ist der halbkreisförmige azimuth arc
  • Dieser Bogen stellt den Bogen vom Horizont bis zum zenith des Beobachters in einer bestimmten azimuth-Richtung dar
  • Der Sternzeiger ist über einen Schlitten mit dem azimuth arc verbunden
  • Die Bewegung des Zeigers verschiebt den Schlitten auf dem Bogen und dreht zugleich den azimuth arc selbst
  • Die Position des Schlittens entspricht der altitude, mit 0° am horizon und 90° am zenith
  • Der azimuth arc dreht sich um den hinteren zenith point, und diese Drehung zeigt den azimuth-Wert an
  • Wenn sich der arc dreht, bewegt er das Zahnrad am zenith und liefert den azimuth output
  • Der Schlittenbogen ist verzahnt; seine Bewegung dreht ein zweites Zahnrad und erzeugt den altitude output
• Bei bestimmten Breiten zeigt sich die Beziehung zwischen Sternbewegung und Ausgangsänderung besonders anschaulich
  • Auf dem Beispielfoto ist der latitude arm fast bis zu einer Position angehoben, die einer polaren Breite entspricht
  • In diesem Fall ist die polar axis nahezu mit dem zenith ausgerichtet
  • Mit der Änderung der LHA bewegt sich der Stern auf einer kreisförmigen Bahn
  • Dabei rotiert der azimuth arc, während sich die altitude nur sehr wenig ändert
  • Auch in der realen Welt bewegen sich Sterne in Polnähe auf Kreisen um den zenith
• Auf der Rückseite des Angle Computer befinden sich trotz mechanischer Berechnung zahlreiche elektrische Bauteile
  • Oben liefern synchro transmitters elektrische Ausgänge für azimuth und altitude
  • Ein synchro transmitter verwendet feste und bewegliche Spulen, um den Drehwinkel einer Welle in ein dreipoliges elektrisches Signal umzuwandeln
  • Das große Zahnrad liefert den altitude output
  • Das lange zylindrische Bauteil unten ist der Motor, der den Mechanismus antreibt
  • Der Motor dreht sich über eine Rückkopplungsschleife in die Sollposition
  • synchro control transformers liefern Rückkopplung an externe servo amplifiers
  • Die servo amplifiers treiben den Motor an
• Bei teilweiser Zerlegung ist im Inneren ein komplexer gear train zu erkennen
  • Er verbindet synchros, Motor und den physischen Mechanismus miteinander
  • Das kurze messingfarbene Bauteil unten in der Mitte sind differential assemblies, die Signale addieren oder subtrahieren
  • Rechts unten ist ein langer zylindrischer Antriebsmotor freigelegt

• Rolle der Differentialgetriebe

  • Da die Wellen mechanisch nicht voneinander unabhängig sind, werden differential gears benötigt
  • Wenn sich zum Beispiel der latitude arm nach oben oder unten bewegt, bewegen sich auch die declination- und LHA drive shafts mit und erzeugen unerwünschte Rotationen
  • Die Differentialeinheit subtrahiert die latitude motion von den Eingaben für declination und LHA, damit die endgültige Bewegung jeder Welle unabhängig bleibt

• Schlitten und Höhenbereich

  • Da der azimuth arc ein Halbkreis von 180° ist, könnte es so aussehen, als würde sich der Sternzeiger darauf um 180° bewegen
  • Der tatsächliche Höhenbereich reicht jedoch vom Horizont bei 0° bis zum Zenit bei 90°
  • Der Grund ist, dass der Schlitten ein Viertelkreis von 90° ist
  • Die Sternposition kann sich höchstens um 90° bewegen, bevor das entgegengesetzte Ende des Schlittens das Ende des azimuth arc erreicht

Betriebsgrenzen und Bereich

• Der Azimut ist am zenith unstetig; wenn ein Stern direkt über dem Kopf vorbeizieht, ändert sich die Richtung sofort um 180°
  • Der Angle Tracker kann den Azimut nicht augenblicklich um 180° ändern
  • Diese Unstetigkeit ist eine wichtige Einschränkung
• Um dies zu vermeiden, hält der Angle Computer die altitude mit cams und microswitches auf 85° oder weniger
  • Andernfalls kann sich der azimuth arc nicht weich drehen und verklemmt sich
• Als zusätzliche Beschränkungen des Astro Tracker werden eine Deklination von +90° und -47° sowie eine minimale altitude von -6° angegeben
  • Der Eingabebereich für die latitude liegt bei -2° bis +90°
  • Es wird außerdem erklärt, dass das System automatisch zwischen den Hemisphären umschaltet, sodass sowohl nördliche als auch südliche Breiten verwendet werden können

Positionslinien und Positionsbestimmung

• Die Hauptausgabe des Astro Compass ist zwar der Heading-Wert, er kann aber auch zur Positionsbestimmung eines Flugzeugs verwendet werden
  • Diese Technik heißt celestial line of position
  • 1837 entdeckt
  • Weit verbreitet in der Schiffsnavigation mit dem Sextanten
  • Auch bei Flugzeugen einsetzbar
• Das Grundprinzip der line of position ist die Beziehung zwischen der altitude eines Sterns und der Entfernung zum sub-stellar point
  • Steht der Stern direkt über dem Kopf, beträgt die altitude 90°
  • Bewegt man sich in irgendeine Richtung 60 nautical miles, beträgt die altitude 89°
  • Dabei wird die Beziehung 1 nautical mile = 1 minute of angle = 1/60 degree genutzt
  • Bei einer altitude von 89° befindet man sich auf einem Kreis in 60 miles Entfernung vom sub-stellar point
  • Bei einer altitude von 88° befindet man sich auf einem Kreis mit 120 nautical miles Radius
  • Bei einer altitude von 40° befindet man sich auf einem sehr großen Kreis mit 3000 miles Radius
• In der praktischen Navigation wird ein Teil dieses Kreises auf Basis der geschätzten Position als Gerade angenähert
  • Es wird angenommen, dass man die aktuelle Position grob auf 100 miles genau kennt
  • Auf der Karte wird ein Punkt für die geschätzte Position markiert
  • Man wählt einen Stern aus und berechnet den an dieser Position erwarteten Winkel
  • Misst man mit dem Sextanten einen erwarteten Wert von 50°, tatsächlich aber 51°, dann muss die geschätzte Position 1°, also 60 miles, näher am Mittelpunktkreis des weit entfernten sub-stellar point liegen
  • Auf der Karte bewegt man sich vom Schätzpunkt aus 60 miles in Richtung des Sterns
  • Zeichnet man an diesem Punkt eine Senkrechte, entsteht die line of position
  • Die aktuelle Position liegt irgendwo auf dieser Linie
• Mit mehreren Sternen lässt sich die Position über ihren Schnittpunkt bestimmen
  • Dasselbe Verfahren wird für Sterne in anderen Himmelsrichtungen wiederholt
  • Im Beispiel wird der zweite Stern 2° kleiner als erwartet gemessen, daher wird ausgehend von der geschätzten Position in 120 miles größerer Entfernung eine weitere line of position eingezeichnet
  • Der Schnittpunkt der beiden Linien ist ein möglicher aktueller Standort
  • Normalerweise wird das Verfahren bis zu einem dritten Stern wiederholt
  • Mit drei line of position erhält man sowohl die Position als auch ein Gefühl für die Genauigkeit
• Der Astro Compass liefert über ein eigenes Anzeigepanel die Werte, die zum Einzeichnen der Positionslinien nötig sind
  • Angezeigt werden der azimuth des Sterns und der Altitude Intercept, also die Entfernung von der angenommenen Position bis zur Positionslinie
  • Auf dieser Grundlage zeichnet der Navigator die line of position in die Karte ein
  • Zusammen mit zwei Sternen wird das Verfahren auf insgesamt drei Sterne angewandt, um einen location fix zu erhalten

• Kugelschnittpunkte

  • Zwei verschiedene Kreise auf einer Kugel können technisch gesehen 0, 1 oder 2 Schnittpunkte haben
  • Im praktischen Betrieb entstehen meist zwei Schnittpunkte, von denen einer jedoch sehr weit entfernt ist und ignoriert werden kann

• Praktische Schwierigkeiten für den Navigator

  • Bis die Messung abgeschlossen ist, kann das Flugzeug bereits mehrere Dutzend Meilen weitergeflogen sein
  • Der Navigator kann deshalb in die Lage kommen, die position lines unter Berücksichtigung der Bewegung korrigieren zu müssen
  • Wegen Wind und anderer Faktoren ist schwer genau zu wissen, wie weit sich das Flugzeug tatsächlich bewegt hat
  • Daher muss der Navigator selbst mit Astro Compass weiterhin mit Unsicherheit umgehen und unterschiedliche Messergebnisse cross-checking unterziehen

Designentscheidungen und Fazit

• Der Angle Computer ist einerseits ein Produkt einer Zeit, in der mechanische Analogberechnung die beste Lösung war, und zugleich ein elektrisches System
  • Das navigational triangle wird von einem mechanischen Gerät gelöst
  • Die Positionsanpassung des Geräts übernehmen Motoren
  • Die Ausgabe wird elektrisch über Leitungen übertragen
  • Für den Antrieb werden elektronische Verstärker und Rückkopplungsschaltungen verwendet
  • Diese Schaltungen nutzen sowohl vacuum tubes als auch transistors
• Im Entwurfsprozess des Astro Compass wurden mehrere Ansätze zur Berechnung des navigational triangle geprüft
  • Der erste Ansatz nutzte resolvers, kleine elektromechanische Geräte, die physische Drehbewegungen in sine- und cosine-Werte umwandeln
  • Mit 6 resolvers und Verstärkern ließen sich altitude und azimuth berechnen
  • Der Ansatz wurde jedoch verworfen, weil er zu groß war und eine precision power supply erforderte
  • Der zweite Ansatz war die Verwendung eines digital computer
  • 1963 waren digitale Computer jedoch teuer, langsam und unzuverlässig, daher wurde auch dieser Ansatz verworfen
  • Die schließlich gewählte Lösung war der Aufbau eines mechanischen physischen Modells der Himmelskugel
• Das finale Design verbindet physische Mechanik, elektrische Schaltungen, vacuum tubes und solid-state electronics
  • Es trägt bereits den Charakter einer Konstruktion, die kurz darauf durch digitale Computer ersetzt werden sollte

[GN⁺]

Hacker-News-Kommentare

• Die Zeit, in der Analog und Digital an einem Scheideweg standen, wirkt wirklich faszinierend. Bis zu einem gewissen Punkt waren Analogrechner vernünftig, und nur ein kleines Stück später scheint es ohne Digital gar nicht mehr zu gehen – gerade diese Übergangsphase ist besonders reizvoll. Auch die Memoiren der Person, die den ersten Digitalcomputer zur US Navy brachte, First-Hand: "No Damned Computer is Going to...", vermitteln das Zeitgefühl gut. Wenn man außerdem so ein komplexes Gerät entworfen hat, muss es sicher etwas wie Getriebezug-Schemata gegeben haben, deshalb suche ich gerade danach; und für jemanden, der sonst nur elektronische Schaltungen anschaut, wirken auch Hydraulik-Symbolpläne ziemlich faszinierend
• Das wirkt wie ein typisches Übergangsgerät, bei dem Ein- und Ausgabe elektrisch waren, die Berechnung aber mechanisch. Die Wurzeln dieser Technik lagen in der Feuerleitung der Marine, und die frühen Admiralty Fire Control Table waren riesige mechanische Computer, in die viele Menschen Sensorwerte per Kurbel und Skala eingaben. Später wurden die Sensoreingaben automatisiert und die Ausgaben direkt mit den Geschütztürmen verbunden, sodass sich das schließlich zu gerätegroßen Systemen etwa in Kistengröße entwickelte, mit elektrischem I/O und mechanischem Rechenwerk. Früher tauchte so etwas sogar in Läden für Militäraussonderungen auf, und ich habe auch schon einen restaurierten Leitcomputer an der Nike missile site in Marin County gesehen; dort wurden analoge Radardaten mechanisch verrechnet, um daraus Steuerungssignale für Raketen auszugeben
  • In einem ähnlichen Zusammenhang ist auch die Sprint missile sehenswert. Besonders eindrucksvoll fand ich, dass sie so schnell war, dass ihr Gefechtskopf zu leuchten begann. Schon das Video vermittelt das gut
  • Es ist schön, dass Schulungsvideos erhalten geblieben sind, die zeigen, wie solche Geräte tatsächlich funktionierten. Dieses Video ist ebenfalls lehrreich, und auch das Video vom Battleship-New-Jersey-Kanal erklärt es ziemlich gut
  • Eine meiner liebsten Internetquellen ist ein Manual-Archiv aus dieser Zeit. Besonders das Torpedo Data Computer Manual, mit dem Feuerleitlösungen berechnet wurden, macht mit seinen großartigen Illustrationen richtig Spaß
  • Die Nike-Anlage in Marin war definitiv einen Besuch wert, solange sie geöffnet war. Das ursprüngliche Kontrollzentrum lag zwar auf einem höheren Bergrücken, aber heute steht praktisch nur noch ein containerartiges Gerät neben dem Raketengelände. Das damalige Konzept war, die Munition über anfliegenden Bombern zu zünden, damit die Druckwelle sie abstürzen ließ; zuerst mit konventionellen, später sogar mit nuklearen Sprengköpfen. Auch auf Angel Island gab es eine Nike-Stellung, aber dort sind heute nur noch Betonplatten übrig. In der Nähe von Philadelphia, wo ich aufgewachsen bin, lag ebenfalls direkt nebenan eine defensive Nike-Stellung, und ich habe gehört, dass als Kind auf unserem Grundstück sogar Truppenbewegungen stattfanden
  • Wer mehr lesen möchte: Ich würde Between Human and Machine: Feedback, Control, and Computing before Cybernetics empfehlen, ein Buch, das die Geschichte elektromechanischer Feuerleitcomputer und von Feedback-Systemen ausführlich behandelt
• Jedes Mal, wenn ich so etwas lese, beneide ich die Ingenieure von damals. Sie bauten frühe Mikroprozessoren für Kampfflugzeuge und elektromechanische Himmelsnavigation – und ich kämpfe heute mit GitLab-Pipelines
  • Ich empfinde es eher umgekehrt. Hardware ist schwer, ganz wörtlich; ohne modernes CAD so komplexe elektromechanische Entwürfe nach Militärstandard hinzubekommen, kommt für mich fast dem Codieren in Binärzahlen ohne Hochsprache und ohne Assembler gleich
  • Es ist schade, dass man, wenn man sich mit solchen Problemen beschäftigen und dabei ordentlich leben will, am Ende wohl doch Werkzeuge für den Krieg bauen muss. Viele Firmen im Silicon Valley scheinen am Ende bei Regierungsaufträgen und praktisch beim Militär zu landen, vermutlich weil dort das Geld am verlässlichsten fließt
  • Solche Maschinen sind komplex, haben zugleich aber eine Ästhetik der Einfachheit, und genau das macht sie so anziehend
  • Sobald das Thema frühe Mikroprozessoren in Kampfflugzeugen aufkommt, könnte ich endlos weiterreden
  • Eigentlich hält uns gar nicht so viel davon ab. Man lebt nur einmal; man kann also durchaus ein Sabbatical ansparen und in ein neues Ingenieursgebiet wechseln. Die Vergangenheit wirkt immer romantischer, als sie war, aber damals hat auch nicht jeder an solchen großartigen Dingen gearbeitet, und manche stürmten eben Strände
• Ich habe den Artikel bis zum Ende gelesen, und die Erklärung zur Spiralsuche in den Fußnoten fand ich besonders eindrucksvoll. Der Astro Compass musste für die Sternsuche nur die ungefähre Richtung kennen und tastete dann tatsächlich spiralförmig einen Bereich von ±4° in Azimut und ±2,5° in Höhe ab, um den Stern zu finden. Mit dem Vergleich, dass der scheinbare Monddurchmesser ungefähr 0,5° beträgt, hatte ich sofort ein gutes Gefühl für die Größenordnung
  • Mir ist genau diese Fußnote auch besonders aufgefallen. Es wirkte viel lebendiger, weil es nicht einfach ein Gerät war, das nur zielt und hofft, sondern ein System, das aktiv nach Sternen jagt
• Ich habe mich gefragt, warum der Deklinationsbereich des Astro Trackers viel größer ist als der Breitengradbereich. Ich war mir auch unsicher, ob die Umschaltung auf die Südhalbkugel automatisch oder per Schalter erfolgte, und wenn man nur an einen Hemisphärenwechsel denkt, scheint so ein großer Deklinationsbereich nicht unbedingt nötig. Ich habe mich außerdem gefragt, ob das Gerät auch den Nickwinkel des Flugzeugs im Flug berücksichtigte. Und interessant fand ich ebenfalls, dass die Fähigkeit zum Einsatz auf Nord- und Südhalbkugel für die B-52 wichtig war. Frühere Bomber hatten zwar Reichweite, aber bei Zuverlässigkeit und Luftbetankung Grenzen für wirklich globale Einsätze. Leider habe ich im Museum of Flight keine B-52 gesehen; falls ich Charles Simonyi jemals treffe, würde ich ihm aber gern für seine Unterstützung des Museums danken
  • Wenn man in niedrigen Breiten fliegt, hat fast die Hälfte der Sterne, die man verwenden möchte, eine negative Deklination, daher war die Unterstützung negativer Deklination wichtig. Und die Umschaltung der Hemisphäre erfolgte nicht manuell, sondern automatisch
  • Die B-52 ist eines meiner Lieblingsflugzeuge, und das Exemplar im Museum of Flight war in der Realität wirklich überwältigend groß. Ich habe sie zwar nie für klein gehalten, aber in echt wirkte sie noch gewaltiger als erwartet
• Wie auch in den Fußnoten erwähnt, hat CuriousMarc drei Videos zu diesem Gerät hochgeladen. Man kann mit diesem Link anfangen
• Das war wirklich verrückt beeindruckend. Es hat mir den Impuls gegeben, etwas Größeres zu machen als die ganzen Klempnerarbeiten, mit denen ich mich gerade beschäftige
  • Genau so einen Satz musste ich gerade hören. Ich wollte gerade ein kleines Projekt anfangen und aus Chewy- und Amazon-Kartons ein Katzenlabyrinth für meine beiden Tierheimkatzen bauen. Da habe ich mich gefragt, ob ich mit einem Raspberry Pi v1, einem Laptop zum Herumspielen und allerlei Geräten irgendetwas Lustiges machen könnte, und ich glaube, Opus 4.7 und ich sollten uns bis zu diesem Caturday vielleicht beide etwas Ruhe gönnen
• Der Autor des Artikels hier. Wer Fragen zu diesem Analogcomputer hat, kann sie gern stellen
  • Ich habe verstanden, dass die Sternhöhe relativ zu einem künstlichen Horizont gemessen wurde, aber ich habe mich gefragt, wie das System in einem bewegten Flugzeug überhaupt unten bestimmen konnte. War das einfach eine edlere Version von „Stein an einer Schnur“, oder nutzte es Dämpfung und kardanisch aufgehängte Gyros, oder gab es eine noch klügere Methode? Ich habe auch nachgesehen, ob sich Himmelsnavigation mit moderner Hardware billig und einfach umsetzen ließe, aber selbst auf einer stationären Plattform schien das überraschend schwierig zu sein. Selbst Neigungsmesser mit 0,01° Genauigkeit sind heute noch teuer, und schon dieser Fehler könnte nach meinem Verständnis ungefähr 1 km Positionsfehler bedeuten. Und bei einer Plattform, die wackelt, sich bewegt und auch noch Kurven fliegt, scheint das extrem schwierig: Selbst perfekte Gyros zeigen nach ein paar Minuten in die falsche Richtung, und während einer Kurve weicht auch das an der Schwerkraft orientierte Unten ab
  • Vielleicht ist das eine einfache Frage, aber ich habe mich auch gefragt, was bei Wolken passierte. Würde man sagen, dass die B-52 meist oder immer oberhalb der Wolken flog?
  • Mich würde interessieren, ob die Sterne vom Navigator manuell gefunden und weiter verfolgt werden mussten. Der Artikel war wirklich spannend, aber der tatsächliche Betriebsablauf ist mir noch nicht ganz klar geworden
  • Der ganze Text las sich, als stecke wirklich Herzblut darin, und ich fand es schön, dass er geteilt wurde
  • Im Artikel stand es nicht, aber ich meine gelesen zu haben, dass auch ICBMs Himmelsnavigation nutzten. War das ein ähnliches Prinzip wie bei diesem Gerät, und ist heute einigermaßen bekannt, was diese Raketen damals tatsächlich verwendet haben?
• Bei der Beschreibung „high-accuracy heading information“ im Artikel hatte ich den Eindruck, dass dieses Gerät nicht nur Kurs, sondern auch Bodenspur geliefert haben könnte. In der Luftnavigation ist windbedingte Drift ja ein zentrales Problem, deshalb fände ich das deutlich wertvoller
  • Nein. Dieses Gerät lieferte ground track nicht direkt, aber man konnte ihn mit der im Artikel beschriebenen Standlinienmethode manuell berechnen
• Der Hinweis „nicht mit AI geschrieben“ am Ende wirkte auf mich zwar etwas meta, aber ich war trotzdem dankbar dafür. Ich hätte ihn sogar lieber ganz oben gesehen, weil ich eher Lust bekomme zu lesen, wenn ich sicher bin, dass es ein von einem Menschen geschriebener Text ist
  • Ich glaube nicht, dass das unbedingt nötig ist. AI-Slop erkennt man normalerweise ziemlich schnell, und es war eindeutig, dass dieser Text nicht in diese Kategorie fällt. Ich denke nicht, dass man daraus noch eine weitere zermürbende Debatte machen sollte