Rastreador de estrellas

Un rastreador estelar es un dispositivo óptico que mide la posición de las estrellas mediante fotocélulas o una cámara. ^{[ 1 ]} Dado que los astrónomos han medido la posición de muchas estrellas con gran precisión, un rastreador estelar en un satélite o nave espacial puede utilizarse para determinar la orientación (o actitud ) de la nave con respecto a las estrellas. Para ello, el rastreador estelar debe obtener una imagen de las estrellas, medir su posición aparente en el sistema de referencia de la nave espacial e identificarlas para poder comparar su posición con su posición absoluta conocida en un catálogo estelar. Un rastreador estelar puede incluir un procesador para identificar las estrellas comparando el patrón de estrellas observadas con el patrón conocido de estrellas en el cielo.

En las décadas de 1950 y principios de 1960, los rastreadores de estrellas fueron una parte importante de los primeros misiles balísticos de largo alcance y misiles de crucero , en la época en que los sistemas de navegación inercial (INS) no eran suficientemente precisos para alcances intercontinentales. ^{[ 2 ]}

Consideremos un misil de la Guerra Fría que vuela hacia su objetivo; inicialmente se dirige hacia el norte, sobrevuela el Ártico y luego vuelve a volar hacia el sur. Desde la perspectiva del misil, las estrellas que se encuentran detrás parecen acercarse al horizonte sur, mientras que las que están delante ascienden. Antes del vuelo, se puede calcular el ángulo relativo de una estrella en función de la posición que debería tener el misil en ese instante si estuviera en la ubicación correcta. Este valor se compara con la posición medida para generar una señal de "error de trayectoria" que permite corregir la trayectoria del misil. ^{[ 2 ]}

Debido a la rotación de la Tierra, las estrellas que se encuentran en una ubicación utilizable cambian a lo largo del día y de la ubicación del objetivo. Generalmente, se utilizaba una selección de varias estrellas brillantes y se elegía una en el momento del lanzamiento. Para los sistemas de guiado basados ​​únicamente en el seguimiento de estrellas, se grababa previamente en algún tipo de mecanismo, normalmente una cinta magnética , una señal que representaba el ángulo de la estrella durante el día. En el momento del lanzamiento, la cinta se enviaba a la hora correspondiente. ^{[ 2 ]} Durante el vuelo, la señal de la cinta se utilizaba para posicionar aproximadamente un telescopio de manera que apuntara a la posición esperada de la estrella. En el foco del telescopio había una fotocélula y algún tipo de generador de señal, normalmente un disco giratorio conocido como chopper . El chopper hacía que la imagen de la estrella apareciera y desapareciera repetidamente en la fotocélula, produciendo una señal que luego se suavizaba para producir una salida de corriente alterna . La fase de esa señal se podía comparar con la fase del chopper para determinar el ángulo con respecto a la estrella, y este ángulo se podía comparar con el esperado en la cinta para producir una señal de guiado. ^{[ 2 ]} Los choppers combinados con amplificadores lock-in también pueden ayudar a proporcionar inmunidad al ruido.

Los rastreadores estelares a menudo se combinaban con un sistema de navegación inercial (INS). Los sistemas INS miden las aceleraciones y las integran a lo largo del tiempo para determinar la velocidad y, opcionalmente, realizan una doble integración para obtener la ubicación relativa al punto de lanzamiento. Incluso los errores de medición más pequeños, al integrarse, se acumulan hasta generar un error considerable conocido como "deriva". Por ejemplo, el sistema de navegación N-1 desarrollado para el misil de crucero SM-64 Navaho tenía una deriva de 1 milla náutica por hora, lo que significa que, tras un vuelo de dos horas, el INS indicaría una posición a 2 millas náuticas (3,7 km; 2,3 mi) de su ubicación real. Esto superaba la precisión deseada de aproximadamente media milla.  

En el caso de un INS, la cinta magnética se puede retirar y, en su lugar, el INS proporciona las señales. El resto del sistema funciona como antes; la señal del INS posiciona aproximadamente el rastreador estelar, que luego mide la ubicación real de la estrella y produce una señal de error. Esta señal se utiliza 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 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 de puntos para estrellas adyacentes, otros satélites cercanos, contaminación lumínica de fuente puntual de grandes ciudades en 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 estelar típico para la determinación de la actitud con alta precisión 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 aparente de la magnitud , la incertidumbre del índice de color o una ubicación dentro del diagrama de Hertzsprung-Russell que implica falta de fiabilidad. Este tipo de catálogos estelares 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. Como sensores de conocimiento de la situación espacial, los rastreadores de estrellas pueden utilizarse para la detección de basura espacial ^{[ 12 ]} y para la identificación de satélites. ^{[ 13 ]}

• navegación celeste
• Ir a (telescopios)
• Sensor solar
• Astrometría

• tetra3 - software de código abierto para el seguimiento de estrellas
• openstartracker : software de seguimiento de estrellas de código abierto con todas las funciones e historial de vuelos (Oresat, etc.).
• Rastreador de estrellas Oresat : hardware y firmware de código abierto para el rastreo de estrellas.
• LOST: Rastreador de estrellas de código abierto
• Astrometry.net (Astrometría para personas ciegas en línea)