Зо́ряний тре́кер () — оптичний пристрій, який вимірює положення зір за допомогою фотоелементів або камери. Оскільки положення багатьох зір астрономи виміряли з високим ступенем точності, зоряний трекер на космічному апараті може бути використаний для визначення орієнтації космічного апарата відносно зір. Для цього зоряний трекер повинен отримати зображення зір, виміряти їхнє видиме положення в системі відліку космічного апарата та ідентифікувати зорі, щоб їхнє положення можна було порівняти з їхнім відомим положенням із зоряного каталогу. Зоряний трекер може включати процесор для ідентифікації зір.

Історія У 1950-х і на початку 1960-х років зоряні датчики були важливою складовою перших міжконтинентальних балістичних ракет і крилатих ракет, коли інерційні навігаційні системи ще не забезпечували достатньої точності для міжконтинентальних відстаней.

Розгляньмо ракету часів холодної війни, що прямує до цілі. Спочатку вона летить на північ, пролітає над Арктикою, а потім знову повертає на південь. З погляду ракети зорі позаду неї зміщуються до південного горизонту, тоді як зорі попереду піднімаються. До польоту можна обчислити кутове положення певної зорі для кожного моменту часу за умови, що ракета перебуває на заданій траєкторії. Під час польоту виміряне положення зорі порівнюють із розрахованим і визначають відхилення, яке використовують для корекції траєкторії ракети.

Через обертання Землі придатні для вимірювання зорі змінюють своє положення протягом доби, і ця зміна залежить також від розташування на поверхні Землі. Зазвичай обирали кілька яскравих зір, а безпосередньо перед запуском визначали ту, яку використовуватимуть для наведення. У системах наведення, що спиралися лише на зоряне відстеження, застосовували механізм запису — зазвичай магнітну стрічку, на яку попередньо записували сигнал, що відповідав зміні кута вибраної зорі протягом доби. Під час запуску стрічку перемотували до потрібного моменту часу. У польоті сигнал зі стрічки приблизно орієнтував телескоп на очікуване положення зорі. У фокусі телескопа розміщували фотоелемент і генератор сигналу — зазвичай обертовий диск, відомий як . Чопер періодично перекривав світло зорі, унаслідок чого на фотоелементі виникав сигнал, який згладжували й перетворювали на змінний струм. Фазу цього сигналу порівнювали з фазою обертання чопера, визначали кут на зорю й зіставляли його з очікуваним значенням, записаним на стрічці, формуючи керувальний сигнал. Чопери у поєднанні з також підвищували завадостійкість системи.

Зоряні датчики часто поєднували з інерційними навігаційними системами, які вимірюють прискорення та інтегрують їх у часі, визначаючи швидкість, а за потреби — подвійним інтегруванням і координати відносно точки старту. Навіть незначні похибки вимірювання під час інтегрування накопичуються, утворюючи помітну помилку, відому як «дрейф». Наприклад, навігаційна система N-1, розроблена для крилатої ракети , накопичувала похибку зі швидкістю 1 морська миля на годину, тобто після двох годин польоту інерційна навігаційна система показувала положення з відхиленням приблизно 2 морські милі (3,7 км) від реального. Це значно перевищувало бажану точність близько пів милі.

У разі поєднання зоряного трекера з інерційною навігаційною системою магнітну стрічку можна було вилучити, а відповідні сигнали формувала сама інерціальна система. Решта системи працювала так само: сигнал інерційної системи грубо орієнтував зоряний датчик, який уточнював фактичне положення зорі та формував сигнал похибки. Цей сигнал коригував координати, що їх обчислювала інерційна система, зменшуючи накопичений дрейф до межі точності зоряного датчика. Такі «зоряно-інерційні» системи широко застосовували з 1950-х до 1980-х років, хоча окремі системи використовують їх дотепер.

Сучасні технології

Нині доступні численні моделі зоряних трекерів. Існують також відкриті проєкти, розроблені для глобальної спільноти дослідників і розробників кубсатів. Зоряні датчики, що потребують високої чутливості, можуть хибно реагувати на сонячне світло, відбите від поверхні апарата, або на шлейфи відпрацьованих газів його двигунів (через відбиття світла чи забруднення вікна датчика). Вони також зазнають різних типів похибок, а також оптичних аберацій (сферична аберація, хроматична аберація тощо). Додаткові труднощі для алгоритму ідентифікації зір створюють планети, комети, наднові, бімодальний характер функції розсіювання точки для близько розташованих зір, інші супутники поблизу, а також точкове світлове забруднення від великих міст Землі. Зазвичай використовують близько 57 яскравих навігаційних зір. Однак для складніших місій застосовують повні бази даних зоряного неба для визначення орієнтації космічного апарата. Типовий зоряний каталог для високоточного визначення орієнтації формують на основі базового стандартного каталогу (наприклад, Військово-морської обсерваторії США), після чого з нього вилучають проблемні зорі — зокрема через змінність видимої зоряної величини, невизначеність показника кольору або розташування на діаграмі Герцшпрунга — Рассела, що може свідчити про їхню ненадійність. Як датчики космічної обстановки зоряні трекери можна використовувати для виявлення космічного сміття та ідентифікації супутників.

Див. також Астрономічна навігація GoTo

Примітки

Посилання tetra3 — програмне забезпечення для трекінгу зір з відкритим кодом openstartracker — повнофункціональне програмне забезпечення для трекінгу зір з відкритим кодом, що базується на досвіді польотів (Oresat тощо) Oresat star tracker — програмне забезпечення для трекінгу зір з відкритим кодом LOST — зоряний трекер з відкритим кодом Astrometry.net