微型恆星追蹤器幫助定位航天器

NASA一直致力於解答關於我們宇宙的終極問題。因此，他們需要的工具往往既笨重又昂貴。不過，有一家小型航空航天公司參考一種古老的導航技術，設計出了一種不僅體積小，而且造價低廉的星體跟蹤器。這對於像NASA一類的航空航天公司來說可能是一次技術的革新。

小型衛星，通常被稱為CubeSats。與傳統衛星相比，製造和發射的成本要便宜得多，但為了將其用於重要的科學研究，工程師們不得不開發出新的工具，這些工具雖然小又便宜但仍足夠精確強大到取得良好的成效。圖片來源：NASA

幾千年來，旅行者依靠星空來確定他們在地球上的位置。一旦人類進入太空，他們就將在地球上已經驗證的科技應用於新環境。從最早的航空任務開始，許多航天器就使用了專門的六分儀來測量不同天體間相對於彼此或者地平線的角度。

這些恆星追蹤器不僅對導航非常重要，而且“我們越精準的指向衛星，就可以獲得越好的影象和資料，”戈達德太空飛行中心姿態控制系統工程師愛麗絲•劉解釋說，“我們必須能夠指向要拍照的方向，並且在拍照時必須保持穩定。”

戈達德任務工程和系統分析部門的技術助理主管傑森·米切爾（Jason Mitchell）解釋說，美國宇航局的“旗艦”探測器任務通常需要最先進的技術，而這些探測器技術還不夠成熟，無法被小型化。 但這種形勢已經開始改變，現在衛星的體積越來越小，價格也越來越便宜，並且如果儀器足夠強大，就有可能以一種新的方式獲得科學成果。

這就是由Adcole Maryland Aerospace設計的新型恆星追蹤器可能發揮用處的地方。

該裝置足夠小，可以安裝在CubeSat內部（每邊只有兩英寸長），並且能夠將航天器指向高精度，誤差低至約0.1度，與大型儀器的效能一致。

在以前，NASA可能會花費數千萬甚至數億美元研發一顆太陽觀測衛星以獲得所需的解析度，而通過使用更加便宜的立方體衛星，研究人員部署兩顆衛星從不同的角度進行觀測變得更為可行。米切爾說：“我們正在考慮突破常規，將這種能力帶入一個新的任務類別，想想人眼那樣的立體視覺，現在你可以看到太陽的立體照片了。

更寬泛地說，“觀測結果的數量會增加。在節省成本的同時，多顆衛星可以在不同的位置做相同的事情。就算其中的一些出了故障，任務也不會完全失敗，”米切爾補充道，“它確實徹底改變了人們印象中得到觀測結果的方式。它為科學帶來了許多新的可能性。”

技術轉讓

NASA和位於馬里蘭州克羅夫頓的阿德科爾馬里蘭宇航公司（Adcole Maryland Aerospace）之間的合作關係始於數個小型企業創新研究（SBIR）合同。

2012年，從事太空任務中精確定位和緊密穩定性研究的劉教授解釋說，“立方體衛星的工作開始引起人們的興趣，戈達德（Goddard）正準備進軍這個領域。我正在考慮那些能給我們帶來更好定位穩定性的提議。”她回憶說，公司的提議對她“印象非常深刻”。

以前的定位裝置通常使用磁感測器和地平線感測器來確定立方體衛星相對於地球磁層或地平線的方位。但公司Quattroporte格倫•卡梅倫（Glen Cameron）表示，精度最多隻能達到1度左右。

相反，阿德克爾馬里蘭航空提議使用照相機拍攝星空影象的恆星跟蹤儀。之後，軟體分析影象來計算方向。“如果在夜空中油兩顆亮星，那麼這兩顆星星之間的角間距是唯一的。沒有任何兩對星星之間的間隔是相同的。”史蒂夫·藤川，該公司此專案的首席研究員解釋道。恆星跟蹤儀利用分離的角度去分辨照相機所指向的恆星，而CubeSat利用這些資訊將自己定位在太空中。這與水手們長期使用六分儀的過程基本相同，當然，在CubeSat上，沒有人去做計算。所以，作為SBIR合同內的部分工作，藤川開採了公開可獲取的恆星目錄來建立一個“恆星分離”資料庫，其中約70,000個基於大約1,825顆恆星。那聽起來很多，但實際上是一個細緻的挑選，在減少處理工作量的同時（使得資料）覆蓋整片星空，因此計算可以變得更快，並且對記憶體和功耗的需求可以最小。

該公司也開發了一個微型光學系統，它足夠小，從而可以很容易安裝在CubeSat中，並且，它抗輻射，因而可以在太空環境中執行。最初的合約是使他們能夠開發一種單照相機的行星跟蹤儀以及它的相關軟體，但隨後的SBIR合約使一種具有巨大靈活性的雙照相機系統的開發成為可能，卡梅倫說道。如果一個照相機指向太陽，（那是因為）太陽亮度足夠大到遮擋住其他行星的亮光，那麼第二個照相機就會指向別處，這就意味著行星跟蹤器就能一直找到自己的方向。

卡梅倫說，公司現在以三種不同的形式出售這些零件。顧客可以購買一個獨立的星體跟蹤器，一個包含星體追蹤器和自動駕駛儀的攝像元件，或者一個雙攝象元件。截止2017年底，他們已經以這幾種模式賣掉了大約20組，他補充說，這是第一年所取得的巨大成就。藤川先生說，成功的部分原因在於相對合理的價格—從大約32000美金的獨立星體跟蹤器到大約100000美金的雙攝元件均有，這是被公司直接連結到它的SBIR資金中的。“我們擁有一個驚人的優勢，在於NASA 過去在發展中的資金支援，所以我們無需分期償還任何一個生產過程中的開發成本。”他強調說。Mitchell和劉認為在SBIR專案中取得了很大成就還有一個原因：Adcole Maryland Aerospace的團隊“不僅取得了他們預想的成績，並且成功地將這項活動擴充套件到元件商業化。這將成為一種可持續的科技發展方向。”

同時，Mitchell 補充道，使產品渙新可以鼓勵其他人去研究它，我們的最終目的不僅是一個健康的小企業，同時還需要能幫助到我們發展的競爭，因為在一個健康的市場中我們將會獲得更多的機會。

圖解：這個小巧的裝置可以放置在立方星中，裝置裡包含可以精確地指向微型衛星的所有硬體和軟體-誤差在0.1度以內。該裝置由馬里蘭州埃蒂科航空航天公司開發，並獲得了一些來自美國小企業創新研究計劃的資助，它比以前的立方星指向裝置精確度至少高出一個數量級。圖片來源：NASA

目前它主要被應用在地球觀測任務，例如監視森林砍伐，“假設這個影象是六個月前在亞馬遜某個地點拍到的，而你希望獲得完全相同地點的影象，以便進行比較。”卡梅倫解釋。也許一家公司想監視煉油廠的甲烷排放量，“這時你需要將儀器精確地指向那個位置以獲取影象，”他說。

然而，另一位客戶正在使用恆星跟蹤儀進行另一個專案，以探測遙遠恆星周圍的行星。藤川說， “要做到這一點，你必須將飛船真正精確地指向另一顆恆星。這種任務只能通過像這樣的感測器來實現。”

他補充說，展望未來，對於繞地球以外的行星執行的行星際飛行任務和“立方體衛星”，將不可能利用地球的地平線或磁場進行定向，因此像這樣的恆星追蹤器至關重要。

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參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.NASA-2.7K，Poppy Kuririn，許許儒生，我就是狗皮膏藥，ZzGallagher5，加油鹿小葵