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 система отслеживания звезд должна 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. Устройство отслеживания звезд может включать в себя процессор для идентификации звезд путем сравнения структуры наблюдаемых звезд с известной структурой звезд на небе.
В 1950-х и начале 1960-х годов системы отслеживания звезд были важной частью первых 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; сначала он летит на север, проходит над Арктикой, а затем снова начинает лететь на юг. С точки зрения ракеты кажется, что звезды позади нее движутся ближе к южному горизонту, в то время как звезды впереди восходят. Перед полетом можно рассчитать относительный угол звезды, исходя из того, где в этот момент должна находиться ракета, если она находится в правильном месте. Затем это можно сравнить с измеренным местоположением, чтобы получить сигнал «отключения ошибки», который можно использовать для возврата ракеты на правильную траекторию. [2]
Из-за вращения Земли звезды, находящиеся в удобном для использования месте, в течение дня меняются, а также местоположение цели. Обычно используется несколько ярких звезд, и одна выбирается во время запуска. Для систем наведения, основанных исключительно на отслеживании звезд, какой-то механизм записи, обычно магнитная лента , предварительно записывал сигнал, который представлял угол наклона звезды в течение дня. При запуске лента была перенаправлена на подходящее время. [2] Во время полета сигнал на пленке использовался для примерного позиционирования телескопа так, чтобы он указывал на ожидаемое положение звезды. В фокусе телескопа находился фотоэлемент и своего рода генератор сигналов, обычно это вращающийся диск, известный как чоппер . Преобразователь заставляет изображение звезды неоднократно появляться и исчезать на фотоэлементе, создавая сигнал, который затем сглаживается для получения выходного переменного тока . Фаза этого сигнала сравнивалась с фазой на ленте, чтобы получить сигнал наведения. [2]
Звездные трекеры часто комбинировались с ИНС. Системы INS измеряют ускорения и интегрируют их с течением времени для определения скорости и, опционально, выполняют двойное интегрирование для определения местоположения относительно места запуска. Даже крошечные ошибки измерения при их интегрировании образуют значительную ошибку, известную как «дрейф». Например, навигационная система Н-1, разработанная для крылатой ракеты SM-64 «Навахо», дрейфовала со скоростью 1 морская миля в час, а это означает, что после двухчасового полета ИНС будет указывать позицию на расстоянии 2 морских миль (3,7 км). ; 2,3 мили) от его фактического местоположения. Это превышало желаемую точность примерно на полмили.
В случае ИНС магнитную ленту можно удалить, и вместо этого эти сигналы будут передаваться ИНС. Остальная часть системы работает как прежде; сигнал от INS приблизительно позиционирует звездный трекер, который затем измеряет фактическое местоположение звезды и выдает сигнал ошибки. Этот сигнал затем используется для коррекции положения, генерируемого ИНС, уменьшая накопленный дрейф до предела точности трекера. [2] Эти «звездные 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 глобальным сообществом исследователей и разработчиков CubeSat. [10] [11] Системы отслеживания звезд, требующие высокой чувствительности, могут быть сбиты с толку солнечным светом, отраженным от космического корабля, или шлейфами выхлопных газов от двигателей космического корабля (либо отражение солнечного света, либо загрязнение окна системы отслеживания звезд). Системы отслеживания звезд также подвержены множеству ошибок (низкая пространственная частота, высокая пространственная частота, временная и т. д.) в дополнение к множеству оптических источников ошибок ( сферическая аберрация , хроматическая аберрация и т. д.). Существует также множество потенциальных источников путаницы для алгоритма идентификации звезд ( планеты , кометы , сверхновые , бимодальный характер функции рассеяния точки для соседних звезд, других близлежащих спутников, световое загрязнение точечных источников от крупных городов на Земле,... ). Обычно используется около 57 ярких навигационных звезд . Однако в более сложных миссиях 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, Военно-морской обсерватории США ), а затем фильтруется для удаления проблемных звезд, например, из-за изменчивости видимой звездной величины , неопределенности показателя цвета или местоположения. в диаграмме Герцшпрунга-Рассела, что подразумевает ненадежность. Эти типы звездных каталогов могут содержать тысячи звезд, хранящихся в памяти на борту космического корабля или же обработанных с помощью инструментов на наземной станции , а затем загруженных. [ нужна цитата ]