Un rastreador de estrellas es un dispositivo óptico que mide la posición de las estrellas mediante fotocélulas o una cámara. [1] Como los astrónomos han medido las posiciones de muchas estrellas con un alto grado de precisión, se puede utilizar un rastreador de estrellas en un satélite o nave espacial para determinar la orientación (o actitud ) de la nave espacial con respecto a las estrellas. Para hacer esto, el rastreador de estrellas debe obtener una imagen de las estrellas, medir su posición aparente en el marco de referencia de la nave espacial e identificar las estrellas para que su posición pueda compararse con su posición absoluta conocida en un catálogo de estrellas. Un rastreador de estrellas puede incluir un procesador para identificar estrellas comparando el patrón de las estrellas observadas con el patrón conocido de las estrellas en el cielo.
En la década de 1950 y principios de la de 1960, los rastreadores de estrellas eran una parte importante de los primeros misiles balísticos de largo alcance y misiles de crucero , en la era en la que los sistemas de navegación inercial (INS) no eran lo suficientemente precisos para alcances intercontinentales. [2]
Consideremos un misil de la Guerra Fría volando hacia su objetivo; Inicialmente comienza volando hacia el norte, pasa sobre el Ártico y luego comienza a volar nuevamente hacia el sur. Desde la perspectiva del misil, las estrellas detrás de él parecen acercarse al horizonte sur mientras que las que están delante se elevan. Antes del vuelo, se puede calcular el ángulo relativo de una estrella en función de dónde debería estar el misil en ese instante si está en la ubicación correcta. Luego, esto se puede comparar con la ubicación medida para producir una señal de "error desactivado" que puede usarse para devolver el misil a su trayectoria correcta. [2]
Debido a la rotación de la Tierra, las estrellas que se encuentran en una ubicación utilizable cambian a lo largo del día y la ubicación del objetivo. Generalmente, se utilizaría una selección de varias estrellas brillantes y se seleccionaría una en el momento del lanzamiento. Para los sistemas de guía basados únicamente en el seguimiento de estrellas, se pregrababa algún tipo de mecanismo de grabación, generalmente una cinta magnética , con una señal que representaba el ángulo de la estrella durante el período de un día. En el lanzamiento, la cinta se reenvió al momento apropiado. [2] Durante el vuelo, la señal de la cinta se utilizó para posicionar aproximadamente un telescopio de modo que apuntara a la posición esperada de la estrella. En el foco del telescopio había una fotocélula y una especie de generador de señales, típicamente un disco giratorio conocido como helicóptero . El helicóptero hace que la imagen de la estrella aparezca y desaparezca repetidamente en la fotocélula, produciendo una señal que luego se suavizó para producir una salida de corriente alterna . La fase de esa señal se comparó con la de la cinta para producir una señal de guía. [2]
Los rastreadores de estrellas a menudo se combinaban con un INS. Los sistemas INS miden las aceleraciones y las integran a lo largo del tiempo para determinar una velocidad y, opcionalmente, realizan una doble integración para producir una ubicación relativa a su ubicación de lanzamiento. Incluso los pequeños errores de medición, cuando se integran, se suman a un error apreciable conocido como "deriva". Por ejemplo, el sistema de navegación N-1 desarrollado para el misil de crucero SM-64 Navaho se desplazaba a una velocidad de 1 milla náutica por hora, lo que significa que después de un vuelo de dos horas el INS estaría indicando una posición a 2 millas náuticas (3,7 km). ; 2,3 millas) de su ubicación actual. Esto estaba fuera de la precisión deseada de aproximadamente media milla.
En el caso de un INS, se puede quitar la cinta magnética y las señales proporcionadas por el INS. El resto del sistema funciona como antes; la señal del INS posiciona aproximadamente el rastreador de estrellas, que luego mide la ubicación real de la estrella y produce una señal de error. Esta señal se utiliza luego para corregir la posición generada por el INS, reduciendo la deriva acumulada hasta el límite de precisión del rastreador. [2] Estos sistemas "inerciales estelares" fueron especialmente comunes desde la década de 1950 hasta la de 1980, aunque algunos sistemas los utilizan hasta el día de hoy. [3] [4]
Muchos modelos [5] [6] [7] [8] [9] están disponibles actualmente. También existen proyectos abiertos diseñados para ser utilizados por la comunidad global de investigadores y desarrolladores de CubeSat. [10] [11] Los rastreadores de estrellas, que requieren alta sensibilidad, pueden confundirse por la luz solar reflejada por la nave espacial o por las columnas de gases de escape de los propulsores de la nave espacial (ya sea el reflejo de la luz solar o la contaminación de la ventana del rastreador de estrellas). Los rastreadores de estrellas también son susceptibles a una variedad de errores (baja frecuencia espacial, alta frecuencia espacial, temporal,...) además de una variedad de fuentes ópticas de error ( aberración esférica , aberración cromática , etc.). También existen muchas fuentes potenciales de confusión para el algoritmo de identificación de estrellas ( planetas , cometas , supernovas , el carácter bimodal de la función de dispersión puntual para estrellas adyacentes, otros satélites cercanos, contaminación lumínica puntual de las grandes ciudades de la Tierra, ... ). Hay aproximadamente 57 estrellas de navegación brillantes de uso común. Sin embargo, para misiones más complejas, se utilizan bases de datos completas de campos estelares para determinar la orientación de la nave espacial. Un catálogo de estrellas típico para la determinación de actitud de alta fidelidad se origina a partir de un catálogo base estándar (por ejemplo, del Observatorio Naval de los Estados Unidos ) y luego se filtra para eliminar estrellas problemáticas, por ejemplo debido a la variabilidad de la magnitud aparente , la incertidumbre del índice de color o una ubicación. dentro del diagrama de Hertzsprung-Russell, lo que implica falta de confiabilidad. Este tipo de catálogos de estrellas pueden tener miles de estrellas almacenadas en la memoria a bordo de la nave espacial, o bien procesadas utilizando herramientas en la estación terrestre y luego cargadas. [ cita necesaria ]