متتبع النجوم

جهاز تتبع النجوم هو جهاز بصري يقيس مواقع النجوم باستخدام الخلايا الضوئية أو الكاميرا. ^{[ 1 ]} ونظرًا لأن علماء الفلك قد قاسوا مواقع العديد من النجوم بدقة عالية، يُمكن استخدام جهاز تتبع النجوم على قمر صناعي أو مركبة فضائية لتحديد اتجاه المركبة (أو وضعها ) بالنسبة للنجوم. وللقيام بذلك، يجب على جهاز تتبع النجوم التقاط صورة للنجوم، وقياس موقعها الظاهري في الإطار المرجعي للمركبة الفضائية، وتحديد النجوم بحيث يُمكن مقارنة موقعها بموقعها المطلق المعروف من فهرس النجوم. وقد يتضمن جهاز تتبع النجوم معالجًا لتحديد النجوم من خلال مقارنة نمط النجوم المرصودة مع النمط المعروف للنجوم في السماء.

في خمسينيات القرن العشرين وأوائل ستينياته، كانت أجهزة تتبع النجوم جزءًا مهمًا من الصواريخ الباليستية بعيدة المدى وصواريخ كروز المبكرة ، في الحقبة التي لم تكن فيها أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي دقيقة بما يكفي للمدى العابر للقارات. ^{[ 2 ]}

تخيل صاروخًا من حقبة الحرب الباردة يتجه نحو هدفه؛ يبدأ رحلته شمالًا، ثم يعبر القطب الشمالي، ثم يعاود التحليق جنوبًا. من منظور الصاروخ، تبدو النجوم خلفه وكأنها تقترب من الأفق الجنوبي بينما النجوم أمامه تشرق. قبل الإطلاق، يمكن حساب الزاوية النسبية للنجم بناءً على الموقع المفترض للصاروخ في تلك اللحظة إذا كان في الموقع الصحيح. يمكن بعد ذلك مقارنة هذه الزاوية بالموقع المقاس لإنتاج إشارة تصحيح الخطأ، والتي يمكن استخدامها لإعادة الصاروخ إلى مساره الصحيح. ^{[ 2 ]}

بسبب دوران الأرض، تتغير مواقع النجوم التي تقع في مواقع مناسبة للرصد خلال اليوم، وكذلك موقع الهدف. عادةً، يتم اختيار مجموعة من النجوم الساطعة، ويُحدد أحدها عند الإطلاق. بالنسبة لأنظمة التوجيه التي تعتمد كليًا على تتبع النجوم، يتم تسجيل إشارة مسبقًا على شريط مغناطيسي، عادةً ما يكون شريطًا مغناطيسيًا ، تمثل زاوية النجم على مدار اليوم. عند الإطلاق، يُعاد توجيه الشريط إلى الوقت المناسب. ^{[ 2 ]} أثناء الرحلة، تُستخدم الإشارة المسجلة على الشريط لتحديد موضع التلسكوب تقريبًا بحيث يشير إلى الموقع المتوقع للنجم. في بؤرة التلسكوب، توجد خلية ضوئية ومولد إشارة، عادةً ما يكون قرصًا دوارًا يُعرف باسم " المروحة" . تتسبب المروحة في ظهور صورة النجم واختفائها بشكل متكرر على الخلية الضوئية، مما ينتج إشارة يتم تنعيمها لاحقًا لإنتاج تيار متردد . يمكن مقارنة طور تلك الإشارة بطور المروحية لتحديد الزاوية بالنسبة للنجم، ويمكن مقارنة هذه الزاوية بالزاوية المتوقعة على الشريط لإنتاج إشارة توجيه. ^{[ 2 ]} كما يمكن للمروحيات المدمجة مع مضخمات التزامن أن تساعد في توفير مناعة ضد التشويش.

غالبًا ما كانت تُدمج أجهزة تتبع النجوم مع نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS). تقيس أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي التسارعات وتُكاملها بمرور الوقت لتحديد السرعة، ويمكنها أيضًا إجراء تكامل مزدوج لتحديد الموقع بالنسبة لموقع الإطلاق. حتى أخطاء القياس الصغيرة، عند تكاملها، تتراكم لتُشكّل خطأً ملحوظًا يُعرف باسم "الانحراف". على سبيل المثال، انحرف نظام الملاحة N-1 المُطوّر لصاروخ كروز SM-64 نافاهو بمعدل ميل بحري واحد في الساعة، ما يعني أنه بعد ساعتين من الطيران، سيشير نظام الملاحة بالقصور الذاتي إلى موقع يبعد ميلين بحريين (3.7 كم؛ 2.3 ميل) عن موقعه الفعلي. وهذا يتجاوز الدقة المطلوبة التي تبلغ حوالي نصف ميل.  

في حالة نظام الملاحة بالقصور الذاتي (INS)، يمكن إزالة الشريط المغناطيسي واستخدام إشارات النظام بدلاً منه. أما باقي النظام فيعمل كما كان؛ إذ تُحدد إشارة نظام الملاحة بالقصور الذاتي موقع متتبع النجوم تقريبًا، والذي بدوره يقيس الموقع الفعلي للنجم ويُصدر إشارة خطأ. تُستخدم هذه الإشارة لتصحيح الموقع المُولّد من نظام الملاحة بالقصور الذاتي، مما يُقلل الانحراف المُتراكم إلى الحد الأقصى لدقة المتتبع. ^{[ 2 ]} كانت أنظمة "القصور الذاتي النجمي" هذه شائعة بشكل خاص من خمسينيات القرن العشرين وحتى ثمانينياته، على الرغم من أن بعض الأنظمة لا تزال تستخدمها حتى اليوم. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تتوفر حاليًا العديد من النماذج ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] . كما توجد مشاريع مفتوحة المصدر مصممة للاستخدام من قبل مجتمع الباحثين والمطورين العالميين لأقمار كيوب سات. [ 10 ] [ 11 ]} قد تتأثر أجهزة تتبع النجوم، التي تتطلب حساسية عالية، بانعكاس ضوء الشمس من المركبة الفضائية، أو بأعمدة غازات العادم من محركات الدفع (سواءً كان ذلك انعكاسًا لضوء الشمس أو تلوثًا لنافذة جهاز التتبع). كما أن أجهزة تتبع النجوم عرضة لمجموعة متنوعة من الأخطاء ( التردد المكاني المنخفض ، التردد المكاني العالي، الخطأ الزمني، ...) بالإضافة إلى مصادر بصرية متنوعة للخطأ ( الانحراف الكروي ، الانحراف اللوني ، إلخ). وهناك أيضًا العديد من مصادر التشويش المحتملة لخوارزمية تحديد النجوم ( الكواكب ، المذنبات ، المستعرات العظمى ، الطبيعة ثنائية النمط لدالة انتشار النقطة للنجوم المتجاورة، الأقمار الصناعية الأخرى القريبة، التلوث الضوئي من مصادر نقطية من المدن الكبيرة على الأرض، ...). يوجد ما يقارب 57 نجمًا ساطعًا تُستخدم بشكل شائع في الملاحة. مع ذلك، في المهمات الأكثر تعقيدًا، تُستخدم قواعد بيانات كاملة لحقول النجوم لتحديد اتجاه المركبة الفضائية. يُستمد فهرس النجوم النموذجي لتحديد الاتجاه بدقة عالية من فهرس أساسي قياسي (مثل فهرس المرصد البحري الأمريكي )، ثم يُصفّى لإزالة النجوم التي تُسبب مشاكل، على سبيل المثال بسبب تغير سطوعها الظاهري ، أو عدم دقة مؤشر لونها ، أو موقعها ضمن مخطط هرتزبرونغ-راسل الذي يُشير إلى عدم موثوقيتها. يمكن أن تحتوي هذه الأنواع من فهارس النجوم على آلاف النجوم المخزنة في ذاكرة المركبة الفضائية، أو تُعالج باستخدام أدوات في المحطة الأرضية ثم تُرفع. وباعتبارها أجهزة استشعار للوعي الظرفي الفضائي، يمكن استخدام أجهزة تتبع النجوم للكشف عن الحطام الفضائي ^{[ 12 ]} ولتحديد هوية الأقمار الصناعية ^{[ 13 ] .}

• الملاحة السماوية
• GoTo (التلسكوبات)
• مستشعر الشمس
• علم التنجيم

• tetra3 - برنامج مفتوح المصدر لتتبع النجوم
• openstartracker - برنامج تتبع النجوم مفتوح المصدر كامل الميزات مع سجل رحلات فضائية (أوريسات، إلخ..)
• جهاز تتبع النجوم Oresat - أجهزة وبرامج مفتوحة المصدر لتتبع النجوم
• LOST: متتبع النجوم مفتوح المصدر
• Astrometry.net (علم التنجيم الأعمى عبر الإنترنت)