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  • 微型恒星追踪器帮助宇宙飞船找到它们的位置

    微型恒星追踪器帮助定位航天器

    NASA一直致力于解答关于我们宇宙的终极问题。因此,他们需要的工具往往既笨重又昂贵。不过,有一家小型航空航天公司参考一种古老的导航技术,设计出了一种不仅体积小,而且造价低廉的星体跟踪器。这对于像NASA一类的航空航天公司来说可能是一次技术的革新。

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    小型卫星,通常被称为CubeSats。与传统卫星相比,制造和发射的成本要便宜得多,但为了将其用于重要的科学研究,工程师们不得不开发出新的工具,这些工具虽然小又便宜但仍足够精确强大到取得良好的成效。图片来源:NASA

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    几千年来,旅行者依靠星空来确定他们在地球上的位置。一旦人类进入太空,他们就将在地球上已经验证的科技应用于新环境。从最早的航空任务开始,许多航天器就使用了专门的六分仪来测量不同天体间相对于彼此或者地平线的角度。

    这些恒星追踪器不仅对导航非常重要,而且“我们越精准的指向卫星,就可以获得越好的图像和数据,”戈达德太空飞行中心姿态控制系统工程师爱丽丝•刘解释说,“我们必须能够指向要拍照的方向,并且在拍照时必须保持稳定。”

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    戈达德任务工程和系统分析部门的技术助理主管杰森·米切尔(Jason Mitchell)解释说,美国宇航局的“旗舰”探测器任务通常需要最先进的技术,而这些探测器技术还不够成熟,无法被小型化。 但这种形势已经开始改变,现在卫星的体积越来越小,价格也越来越便宜,并且如果仪器足够强大,就有可能以一种新的方式获得科学成果。

    这就是由Adcole Maryland Aerospace设计的新型恒星追踪器可能发挥用处的地方。

    该设备足够小,可以安装在CubeSat内部(每边只有两英寸长),并且能够将航天器指向高精度,误差低至约0.1度,与大型仪器的性能一致。

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    在以前,NASA可能会花费数千万甚至数亿美元研发一颗太阳观测卫星以获得所需的分辨率,而通过使用更加便宜的立方体卫星,研究人员部署两颗卫星从不同的角度进行观测变得更为可行。米切尔说:“我们正在考虑突破常规,将这种能力带入一个新的任务类别,想想人眼那样的立体视觉,现在你可以看到太阳的立体照片了。

    更宽泛地说,“观测结果的数量会增加。在节省成本的同时,多颗卫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,任务也不会完全失败,”米切尔补充道,“它确实彻底改变了人们印象中得到观测结果的方式。它为科学带来了许多新的可能性。”

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    技术转让

    NASA和位于马里兰州克罗夫顿的阿德科尔马里兰宇航公司(Adcole Maryland Aerospace)之间的合作关系始于数个小型企业创新研究(SBIR)合同。

    2012年,从事太空任务中精确定位和紧密稳定性研究的刘教授解释说,“立方体卫星的工作开始引起人们的兴趣,戈达德(Goddard)正准备进军这个领域。我正在考虑那些能给我们带来更好定位稳定性的提议。”她回忆说,公司的提议对她“印象非常深刻”。

    以前的定位设备通常使用磁传感器和地平线传感器来确定立方体卫星相对于地球磁层或地平线的方位。但公司总裁格伦•卡梅伦(Glen Cameron)表示,精度最多只能达到1度左右。

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    相反,阿德克尔马里兰航空提议使用照相机拍摄星空图像的恒星跟踪仪。之后,软件分析图像来计算方向。“如果在夜空中油两颗亮星,那么这两颗星星之间的角间距是唯一的。没有任何两对星星之间的间隔是相同的。”史蒂夫·藤川,该公司此项目的首席研究员解释道。恒星跟踪仪利用分离的角度去分辨照相机所指向的恒星,而CubeSat利用这些信息将自己定位在太空中。这与水手们长期使用六分仪的过程基本相同,当然,在CubeSat上,没有人去做计算。所以,作为SBIR合同内的部分工作,藤川开采了公开可获取的恒星目录来创建一个“恒星分离”数据库,其中约70,000个基于大约1,825颗恒星。那听起来很多,但实际上是一个细致的挑选,在减少处理工作量的同时(使得数据)覆盖整片星空,因此计算可以变得更快,并且对内存和功耗的需求可以最小。

    该公司也开发了一个微型光学系统,它足够小,从而可以很容易安装在CubeSat中,并且,它抗辐射,因而可以在太空环境中运行。最初的合约是使他们能够开发一种单照相机的行星跟踪仪以及它的相关软件,但随后的SBIR合约使一种具有巨大灵活性的双照相机系统的开发成为可能,卡梅伦说道。如果一个照相机指向太阳,(那是因为)太阳亮度足够大到遮挡住其他行星的亮光,那么第二个照相机就会指向别处,这就意味着行星跟踪器就能一直找到自己的方向。

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    卡梅伦说,公司现在以三种不同的形式出售这些零件。顾客可以购买一个独立的星体跟踪器,一个包含星体追踪器和自动驾驶仪的摄像组件,或者一个双摄象组件。截止2017年底,他们已经以这几种模式卖掉了大约20组,他补充说,这是第一年所取得的巨大成就。藤川先生说,成功的部分原因在于相对合理的价格—从大约32000美金的独立星体跟踪器到大约100000美金的双摄组件均有,这是被公司直接链接到它的SBIR资金中的。“我们拥有一个惊人的优势,在于NASA 过去在发展中的资金支持,所以我们无需分期偿还任何一个生产过程中的开发成本。”他强调说。Mitchell和刘认为在SBIR项目中取得了很大成就还有一个原因:Adcole Maryland Aerospace的团队“不仅取得了他们预想的成绩,并且成功地将这项活动扩展到组件商业化。这将成为一种可持续的科技发展方向。”

    同时,Mitchell 补充道,使产品涣新可以鼓励其他人去研究它,我们的最终目的不仅是一个健康的小企业,同时还需要能帮助到我们发展的竞争,因为在一个健康的市场中我们将会获得更多的机会。

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    图解:这个小巧的设备可以放置在立方星中,设备里包含可以精确地指向微型卫星的所有硬件和软件-误差在0.1度以内。该设备由马里兰州埃蒂科航空航天公司开发,并获得了一些来自美国小企业创新研究计划的资助,它比以前的立方星指向设备精确度至少高出一个数量级。图片来源:NASA

    目前它主要被应用在地球观测任务,例如监视森林砍伐,“假设这个图像是六个月前在亚马逊某个地点拍到的,而你希望获得完全相同地点的图像,以便进行比较。”卡梅伦解释。也许一家公司想监视炼油厂的甲烷排放量,“这时你需要将仪器精确地指向那个位置以获取图像,”他说。

    然而,另一位客户正在使用恒星跟踪仪进行另一个项目,以探测遥远恒星周围的行星。藤川说, “要做到这一点,你必须将飞船真正精确地指向另一颗恒星。这种任务只能通过像这样的传感器来实现。”

    他补充说,展望未来,对于绕地球以外的行星运行的行星际飞行任务和“立方体卫星”,将不可能利用地球的地平线或磁场进行定向,因此像这样的恒星追踪器至关重要。

    更多有关NASA技术在日常生活中的应用,请访问Spinoff。

    参考资料

    1.Wikipedia百科全书

    2.天文学名词

    3.NASA-2.7K,Poppy Kuririn,许许儒生,我就是狗皮膏药,ZzGallagher5,加油鹿小葵

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