文/黄教授、邱博士|国家航天中心
几千年来，航海家们通过观察星星来确定它们在海上的位置。这种“视而知”的概念也被应用到人造卫星的“星体跟踪器”上，以确认自己的位置，控制人造卫星的姿态，因此也被称为“人造卫星的眼睛”。
福尔摩沙五号卫星的追星仪。图/航天中心
人造卫星的眼睛——恆星追蹤仪
星跟踪器又称天体测量仪，是人造卫星的关键部件。工程师可以利用星体跟踪器记录的星体进行星体对比(如下图)，参考地球自转速率和人造卫星的惯性，通过计算确定人造卫星当前的位置和姿态。
追星族对比明星软件。图//维基百科宇宙中任何两颗亮星，星与星之间的角度和间隔都是唯一的，不存在间隔完全相同的一对亮星。星跟踪器使用分离角来识别相机指向的星。有了这些信息，卫星就能计算出空间中的相对位置。
然而，大约20年前发射的付伟1号实际上并没有装备追星族。这个没有眼睛的人造卫星是怎么回事？
没有眼睛的福尔摩沙卫星一号
台塑一号卫星由国家太空中心研发，在研发阶段，星跟踪器尚未成为标准组件，而是使用惯性导航系统(INS)，INS选择的引导星取决于地球自转的时间和目标的位置。加速器和陀螺仪用于测量物体的加速度和角速度，并估计连续运动物体的位置、姿态和速度。惯性导航系统的优势在于，初始条件给定后，无需外部参考外部信息(如星体数据库)即可确定当前位置、方向和速度。但是随着遥感卫星摄影的需求，姿态控制的精度跟不上地理位置判断的任务要求。
所以后来研制的卫星Formosa-2使用了“星跟踪器”，通过参考星体数据库和相对角度，大大提高了姿态控制的姿态控制精度。当时“追星人”是外包的卫星部件。但从福尔摩沙八号卫星开始，我国卫星采用了自主研发的星敏感器，成为我国卫星姿态控制的标准装备。
恆星追蹤仪的结构
星跟踪器是一种光学设备。如果用光电池作为主探测器，精度相对较低。如果探测器使用相机，灵敏度更高，可以获得相对较好的分辨率。星跟踪器的主要配置包括遮光罩、镜头、图像传感器(CCD或CMOS)、驱动控制器、处理器、软件、电源和接口。
星跟踪器的主要配置。图/作者提供天文学家精确测量了许多恒星的位置，并记录在恒星数据库中。因此，可以利用卫星与恒星数据库进行比对，通过探测器获得镜头视场内恒星分布的图像。卫星在参考坐标中的位置可以通过算法来测量，以确定卫星的方向或姿态。
恆星追蹤仪的发展
星跟踪器经过20年的发展，市场上出现了许多高灵敏度的星跟踪器型号，具有过滤错误光源的功能，如卫星表面反射的太阳光或卫星推进器产生的排气羽流，以消除太阳光反射或星跟踪器窗口污染等干扰。除了各种误差源，新的星敏感器还可以修正包括球差、色差、低空间频率、高空间频率、时间等各种误差。
恆星追蹤仪的识别机制
通用星跟踪器识别算法，主要利用宇宙中常用的约57颗亮导航星；然而，对于更复杂的任务，需要更多的恒星数据库来确定卫星的方向。通常情况下，高精度姿态需要一个数千颗恒星的星表，以保证在一天中的各个角落都有足够多的恒星落入视野中进行识别，并进行比较和过滤，以去除有问题的光点，如大规模星际变异、颜色指数不确定或数据库中位置显示不可靠等。这些类型的星表通过算法进行优化，然后存储为卫星上的星表数据库。
星跟踪器在开发恒星识别算法时，要注意很多潜在的混淆源，比如行星、彗星、超新星等邻近天体。此外，太空中的附近卫星、地球上大城市的光源或光污染点等。需要被扩散函数的双峰特征排除。
00-1010近年来，商业星跟踪器如雨后春笋，接连出现在大型空天展会上；看到立方卫星的商机，追星族也变小了。麻雀虽小但很全，误差精度表现不错，可以装在卫星上。
上图为立方体卫星上使用的微型星体跟踪器(下图)。图//NASA
商用恆星追蹤仪
近年来，许多国际组织相继投入到星跟踪器的研发中，其中包括中国国家航天中心，将星跟踪器列为前瞻性的重点研发项目，掌握了跨领域集成的关键技术，取得了良好的研发成果。国产星跟踪器将应用于福尔摩沙八号卫星。
国家太空中心恆星追蹤仪研发
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