Un rastreador de estrellas es un dispositivo óptico que mide las posiciones de las estrellas utilizando 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 una 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 a partir de un catálogo de estrellas. Un rastreador de estrellas puede incluir un procesador para identificar estrellas comparando el patrón de estrellas observadas con el patrón conocido de estrellas en el cielo.
En la década de 1950 y principios de la de 1960, los rastreadores de estrellas fueron una parte importante de los primeros misiles balísticos de largo alcance y misiles de crucero , en la era en que los sistemas de navegación inercial (INS) no eran lo suficientemente precisos para los alcances intercontinentales. [2]
Consideremos un misil de la Guerra Fría que vuela hacia su objetivo; inicialmente comienza volando hacia el norte, pasa sobre el Ártico y luego comienza a volar hacia el sur nuevamente. Desde la perspectiva del misil, las estrellas detrás de él parecen acercarse al horizonte sur mientras que las que están frente a él están ascendiendo. 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 se puede comparar eso con la ubicación medida para producir una señal de "error de desconexión" que se puede utilizar para hacer que el misil vuelva 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 de un 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, normalmente 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 reenviaba al momento apropiado. [2] Durante el vuelo, la señal de la cinta se usaba 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, normalmente un disco giratorio conocido como chopper . El chopper hace que la imagen de la estrella aparezca y desaparezca repetidamente en la fotocélula, produciendo una señal que luego se suaviza para producir una salida de corriente alterna . La fase de esa señal se comparaba con la de la cinta para producir una señal de guía. [2]
Los rastreadores de estrellas se combinaban a menudo con un INS. Los sistemas INS miden 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 lugar de lanzamiento. Incluso los errores de medición más pequeños, 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 desplazó 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 mi) de su ubicación real. Esto estaba fuera de la precisión deseada de aproximadamente media milla.
En el caso de un INS, se puede quitar la cinta magnética y esas señales son 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 la 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]
Actualmente hay muchos modelos [5] [6] [7] [8] [9] disponibles. 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 desde la nave espacial, o por columnas de gases de escape de los propulsores de la nave espacial (ya sea reflexión de la luz solar o 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 hay 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 de fuente puntual de grandes ciudades en la Tierra, ...). Hay aproximadamente 57 estrellas brillantes de navegación en uso común. Sin embargo, para misiones más complejas, se utilizan bases de datos de campos estelares completos para determinar la orientación de la nave espacial. Un catálogo de estrellas típico para la determinación de la 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 que implica falta de fiabilidad. Estos tipos 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 requerida ]