Sledovač hvězd - Star tracker
Star tracker je optický přístroj, který měří polohy hvězd pomocí fotobuňky nebo fotoaparátu. Vzhledem k tomu, pozice mnoha hvězd byly měřeny astronomy k vysokým stupněm přesnosti, hvězda tracker na satelitu nebo kosmické lodi mohou být použity k určení orientace (nebo přístup ) kosmické lodi vzhledem ke hvězdám. Aby to mohl provést, musí hvězdný sledovač získat obraz hvězd, změřit jejich zdánlivou polohu v referenčním rámci kosmické lodi a identifikovat hvězdy, aby bylo možné jejich polohu porovnat s jejich známou absolutní polohou z hvězdného katalogu. Sledovač hvězd může zahrnovat procesor pro identifikaci hvězd porovnáním vzoru pozorovaných hvězd se známým vzorem hvězd na obloze.
Dějiny
V 50. a na počátku 60. let 20. století byly hvězdné sledovače důležitou součástí raných balistických raket dlouhého doletu a řízených střel , v době, kdy inerciální navigační systémy (INS) nebyly dostatečně přesné pro mezikontinentální dolety.
Představte si raketu studené války letící k jejímu cíli; zpočátku začíná letem na sever, prochází přes Arktidu a poté začíná znovu létat na jih. Z pohledu rakety se zdá, že hvězdy za ní se pohybují blíže k jižnímu obzoru, zatímco ty vpředu stoupají. Před letem lze vypočítat relativní úhel hvězdy podle toho, kde by měla být raketa v daném okamžiku, pokud je na správném místě. To lze pak porovnat s měřeným místem a vytvořit signál „chyby vypnuto“, který lze použít k navrácení střely zpět na její správnou trajektorii.
V důsledku rotace Země se hvězdy, které jsou na použitelném místě, v průběhu dne a umístění cíle mění. Obecně by byl použit výběr několika jasných hvězd a jedna by byla vybrána v době spuštění. U naváděcích systémů založených výhradně na sledování hvězd byl předem nahrán nějaký druh záznamového mechanismu, typicky magnetická páska , se signálem, který představoval úhel hvězdy v průběhu dne. Při spuštění byla páska přeposlána na vhodný čas. Během letu byl signál na pásce použit k hrubému umístění dalekohledu tak, aby ukazoval na očekávanou polohu hvězdy. V ohnisku dalekohledu byla fotobuňka a nějaký druh generátoru signálu, obvykle rotující disk známý jako vrtulník . Chopper způsobí, že se obraz hvězdy opakovaně objeví a zmizí na fotobuňce, čímž se vytvoří signál, který se poté vyhladí a vytvoří výstup střídavého proudu . Fáze tohoto signálu byla porovnána s fází na kazetě za vzniku naváděcího signálu.
Hvězdné trackery byly často kombinovány s INS. Systémy INS měří zrychlení a integrují je v průběhu času, aby určily rychlost, a volitelně dvojitou integraci, aby vytvořily místo vzhledem k místu spuštění. I malé chyby měření, pokud jsou integrovány, se sčítají se znatelnou chybou známou jako „drift“. Například navigační systém N-1 vyvinutý pro řízenou střelu SM-64 Navaho unášel rychlostí 1 námořní míle za hodinu, což znamená, že po dvouhodinovém letu bude INS indikovat polohu 2 námořní míle (3,7 km) ; 2,3 mi) od svého skutečného umístění. To bylo mimo požadovanou přesnost asi půl míle.
V případě INS lze magnetickou pásku odstranit a tyto signály místo toho poskytnout INS. Zbytek systému funguje jako dříve; signál z INS zhruba polohuje sledovač hvězd, který pak měří skutečné umístění hvězdy a vytváří chybový signál. Tento signál je pak použit ke korekci polohy generované z INS, čímž se sníží kumulovaný drift zpět na hranici přesnosti trackeru. Tyto „hvězdné setrvačné“ systémy byly obzvláště běžné od 50. let do 80. let 20. století, ačkoli některé systémy jej používají dodnes.
Současná technologie
V současné době je k dispozici mnoho modelů. Existují také otevřené projekty určené k použití pro globální komunitu výzkumníků a vývojářů CubeSat. Hvězdné sledovače, které vyžadují vysokou citlivost, mohou být zmateny slunečním zářením odraženým od kosmické lodi nebo oblaky výfukových plynů z kosmických lodí (buď odrazem slunečního světla, nebo znečištěním okna sledovače hvězd). Sledovače hvězd jsou také náchylné k různým chybám (nízká prostorová frekvence, vysoká prostorová frekvence, časové, ...) kromě různých optických zdrojů chyb ( sférická aberace , chromatická aberace atd.). Algoritmus identifikace hvězd má také mnoho potenciálních zdrojů záměny ( planety , komety , supernovy , bimodální charakter funkce bodového šíření pro sousední hvězdy, další blízké satelity, světelné znečištění bodového zdroje z velkých měst na Zemi, ... ). Běžně se používá zhruba 57 jasných navigačních hvězd . U složitějších misí se však k určení orientace kosmických lodí používají celé databáze hvězdných polí . Typický katalog hvězd pro určování polohy s vysokou věrností pochází ze standardního základního katalogu (například z Námořní observatoře Spojených států ) a poté se filtruje, aby se odstranily problematické hvězdy, například kvůli zjevné variabilitě velikosti , nejistotě barevného indexu nebo umístění v Hertzsprung-Russellově diagramu naznačujícím nespolehlivost. Tyto typy hvězdných katalogů mohou mít tisíce hvězd uložených v paměti na palubě kosmické lodi, nebo také zpracovány pomocí nástrojů v pozemní stanici a poté odeslány.