Звездный трекер — это оптическое устройство, которое измеряет положение звезд с помощью фотоэлементов или камеры. [1] Поскольку положения многих звезд были измерены астрономами с высокой степенью точности, звездный трекер на спутнике или космическом корабле может использоваться для определения ориентации (или положения ) космического корабля по отношению к звездам. Для этого звездный трекер должен получить изображение звезд, измерить их видимое положение в системе отсчета космического корабля и идентифицировать звезды, чтобы их положение можно было сравнить с их известным абсолютным положением из звездного каталога. Звездный трекер может включать процессор для идентификации звезд путем сравнения картины наблюдаемых звезд с известной картиной звезд на небе.
В 1950-х и начале 1960-х годов звездные датчики были важной частью ранних баллистических ракет большой дальности и крылатых ракет , в эпоху, когда инерциальные навигационные системы (ИНС) не были достаточно точными для межконтинентальных дальностей. [2]
Представьте себе ракету времен Холодной войны , летящую к своей цели; изначально она начинает полет на север, проходит над Арктикой, а затем снова начинает полет на юг. С точки зрения ракеты звезды позади нее кажутся приближающимися к южному горизонту, в то время как звезды впереди восходят. Перед полетом можно рассчитать относительный угол звезды на основе того, где должна находиться ракета в этот момент, если она находится в правильном месте. Затем это можно сравнить с измеренным местоположением, чтобы выдать сигнал «отключения ошибки», который можно использовать для возвращения ракеты на правильную траекторию. [2]
Из-за вращения Земли звезды, которые находятся в удобном месте, меняются в течение дня и местоположения цели. Обычно используется выбор из нескольких ярких звезд, и одна выбирается во время запуска. Для систем наведения, основанных исключительно на отслеживании звезд, какой-то записывающий механизм, обычно магнитная лента , был предварительно записан с сигналом, который представлял угол звезды за период дня. При запуске лента пересылалась на соответствующее время. [2] Во время полета сигнал на ленте использовался для приблизительного позиционирования телескопа, чтобы он указывал на ожидаемое положение звезды. В фокусе телескопа находился фотоэлемент и какой-то генератор сигналов, обычно вращающийся диск, известный как прерыватель . Прерыватель заставляет изображение звезды многократно появляться и исчезать на фотоэлементе, производя сигнал, который затем сглаживался для получения переменного выходного тока. Фаза этого сигнала сравнивалась с фазой на ленте для получения сигнала наведения. [2]
Звездные трекеры часто объединялись с ИНС. Системы ИНС измеряют ускорения и интегрируют их с течением времени, чтобы определить скорость и, опционально, дважды интегрируют, чтобы получить местоположение относительно места запуска. Даже крошечные ошибки измерения при интегрировании складываются в заметную ошибку, известную как «дрейф». Например, навигационная система N-1, разработанная для крылатой ракеты SM-64 Navaho, дрейфовала со скоростью 1 морская миля в час, что означает, что после двухчасового полета ИНС будет указывать положение в 2 морских милях (3,7 км; 2,3 мили) от ее фактического местоположения. Это было за пределами желаемой точности около полумили.
В случае ИНС магнитную ленту можно удалить, и вместо этого сигналы будут поступать от ИНС. Остальная часть системы работает как и прежде; сигнал от ИНС приблизительно позиционирует звездный трекер, который затем измеряет фактическое местоположение звезды и выдает сигнал ошибки. Затем этот сигнал используется для коррекции положения, генерируемого ИНС, уменьшая накопленный дрейф до предела точности трекера. [2] Эти «звездно-инерциальные» системы были особенно распространены с 1950-х по 1980-е годы, хотя некоторые системы используют их и по сей день. [3] [4]
В настоящее время доступно множество моделей [5] [6] [7] [8] [9] . Существуют также открытые проекты, предназначенные для использования в мировом сообществе исследователей и разработчиков CubeSat. [10] [11] Звездные трекеры, которым требуется высокая чувствительность, могут быть сбиты с толку солнечным светом, отраженным от космического корабля, или выхлопными газами от двигателей космического корабля (либо отражением солнечного света, либо загрязнением окна звездного трекера). Звездные трекеры также подвержены различным ошибкам (низкая пространственная частота, высокая пространственная частота, временная, ...) в дополнение к различным оптическим источникам ошибок ( сферическая аберрация , хроматическая аберрация и т. д.). Существует также много потенциальных источников путаницы для алгоритма идентификации звезд ( планеты , кометы , сверхновые , бимодальный характер функции рассеяния точки для соседних звезд, другие близлежащие спутники, точечное световое загрязнение от крупных городов на Земле, ...). Существует около 57 ярких навигационных звезд , которые обычно используются. Однако для более сложных миссий для определения ориентации космического корабля используются целые базы данных звездного поля . Типичный звездный каталог для высокоточного определения ориентации создается на основе стандартного базового каталога (например, из Военно-морской обсерватории США ), а затем фильтруется для удаления проблемных звезд, например, из-за видимой изменчивости звездной величины, неопределенности индекса цвета или местоположения в пределах диаграммы Герцшпрунга-Рассела, что подразумевает ненадежность. Эти типы звездных каталогов могут иметь тысячи звезд, хранящихся в памяти на борту космического корабля, или же обработанных с помощью инструментов на наземной станции , а затем загруженных. [ необходима цитата ]