人造卫星的眼睛——恒星追踪仪 aka 星象仪

几千年来，航海者观察著星星来确定他们在海上的位置，这种「看到而知之」的概念，也被运用在人造卫星的「恒星追踪仪」上，用来确认所在位置与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恒星追踪仪。太空中心 人造卫星的眼睛——恒星追踪仪

恒星追踪仪，又称星象仪，是人造卫星的关键元件，工程师们利用恒星追踪仪所记录宇宙中的星光比对恒星（如下图），参考地球自转速率，以及人造卫星飞行的惯性，经过演算，可以判断目前人造卫星飞行的位置和姿态。

恒星追踪仪比对恒星软体。 ***

在宇宙中任何两颗明亮的星星，星星之间的角度、间隔都是独特的，没有一对间隔完全相同的明亮的恒星。恒星追踪仪使用分离角度来识别相机所指向的恒星，利用这些信息，人造卫星可以演算出在太空中的相对位置。

但是，约莫二十年前的发射的福卫一号，其实并没有装上恒星追踪仪喔！这没有眼睛的人造卫星到底是怎么一回事呢？

没有眼睛的福尔摩沙卫星一号

国家太空中心所研制的福尔摩沙卫星一号，在研发阶段时，恒星追踪仪尚未成为标准元件，而是使用惯性导航系统（inertial navigation systems, INS），惯性导航系统所选择的引导星取决于地球自转的时间和目标的位置，利用加速计和陀螺仪测量物体的加速度和角速度，估算连续运动物 *** 置、姿态和速度。惯性导航系统的优势在于给定了初始条件后，不需要外部参考外部资讯 (例如恒星资料库)，就可确定当前位置、方向及速度，然而，随着遥测卫星的照相的需求，对于地理位置判断，姿态控制的精确度已经跟不上任务需求。

因此，后续发展的福尔摩沙二号卫星，便使用了「恒星追踪仪」，以参考恒星资料库与相对角度的方法，大幅提高了姿态控制的姿态控制精确度。当时的「恒星追踪仪」是外购卫星元件，然而从福尔摩沙八号卫星开始，我国卫星采用自主研发成功的恒星追踪仪，成为我国卫星姿态控制的标准配备。

恒星追踪仪的结构

恒星追踪仪是光学装置，若使用光电池作为主要侦测器，准确度比较低；侦测器若使用照相机则灵敏度较高，可以获得相对比较好的解析度；恒星追踪仪主要的配置包括遮光罩、镜头、影像感测器（CCD 或 CMOS）、驱动控制器、处理器、软体、电源供应以及介面。

恒星追踪仪主要配置。作者提供

目前天文学家已经精确测量了许多恒星位置，并记录在恒星资料库中，因此人造卫星可以用来比对恒星资料库，经由侦测器获取镜头视野中恒星分布的图像，经由演算法可以测量人造卫星在参考座标中的所在位置，用以确定卫星飞行的方向或姿态。

恒星追踪仪的 发展

恒星追踪仪经过廿年来的发展，市面上已经出现许多高灵敏度的恒星追踪仪型号，具有过滤错误光源的功能，例如人造卫星表面反射的阳光或人造卫星推进器产生的废气羽流，以排除阳光反射或恒星追踪仪窗口受到污染等干扰。 除了各种误差源，新型的恒星追踪仪能修正包括球差、色差，以及低空间频率、高空间频率、时间等的各种误差。

恒星追踪仪的识别 机制

一般恒星追踪仪的识别算法，主要利用宇宙 *** 有约 57 个常用的明亮导航星星 ；但是，对于更复杂的任务，则需要更多数量的恒星数据库以确定人造卫星的方向；通常高精度姿态需要数千颗恒星的目录以确保全天各角落都有足够星数落在视野内可供辨识，比对并过滤以去除有问题的光点，例如大尺度的星际变化，颜色指数不确定性，或在资料库中的位置显示不可靠的情况。这些类型的恒星目录经演算法最佳化后，即储存为卫星上的机载恒星资料库。

恒星追踪仪发展恒星识别算法，还要注意很多潜在的混淆源，例如行星，彗星，超新星等相邻天体；除此之外，太空中邻近的人造卫星，地球上大城市的灯源或光污染等光点，则需要扩散函数的双峰特征加以排除。

商用恒星追踪仪

近年来商用恒星追踪仪如雨后春笋，相继出现在大型航太展；看到了立方卫星的商机，恒星追踪仪也出现微小化，麻雀虽小却五脏俱全，误差精度已表现不俗，可以装置在卫星上。

上图是微小型恒星追踪仪影用在立方卫星上(下图)。NASA 国家太空中心恒星追踪仪研发

近几年来国际上许多单位相继投入恒星追踪仪的研发，包括我国的国家太空中心将恒星追踪仪列为前瞻关键研发项目，并已掌握跨领域整合之关键技术，取得不错的研发成果，国产恒星追踪仪将会应用在福尔摩沙八号卫星。

美国西南研究院（SwRI）的一位科学家已经确定恒星磷是缩小对宇宙生命搜索的可能标志。她已经开发出一些技术，根据已知有行星的恒星的组成来识别可能承载系外行星的恒星，并建议即将进行的研究以恒星磷为目标，以找到我们了解的承载生命的可能性最大的系统。

图注：美国西南研究所的一位科学家已将恒星磷视为可能缩小宇宙中对生命的寻找的标记。磷含量与太阳相似的恒星被认为更可能携带岩石行星，并且有可能存在我们所知的生命。

目前尚无法确定系外行星生态系统的元素比率，但通常假定行星的组成与它们的恒星相似。科学家可以通过光谱法测量恒星中元素的丰度，研究光如何与恒星上层中的元素相互作用。利用这些数据，科学家可以使用恒星组成作为行星的代理来推断恒星绕行行星的构成。

在地球上，生物学的关键元素是碳、氢、氮、氧、磷和硫。在当今的海洋中，磷被认为是生命的终极限制营养素，因为它是生化反应所需的最少可用化学物质。

欣克尔使用她开发的公开恒星数据库Hypatia目录，来评估和比较附近恒星的碳、氮、硅和磷丰度与平均海洋浮游生物、地壳以及地球上和火星上大量硅酸盐的碳、氮、硅和磷的丰度比。

“但是磷恒星的丰度数据很少。”欣克尔说，“只有大约1％的恒星存在磷数据。这使得很难找出恒星之间的任何明显趋势，更不用说磷在系外行星演化中的作用了。”

并不是恒星必然缺乏磷，而是很难测量元素，因为它是在通常不被观察到的光谱区域中检测到的：在光和可见光的波长范围内。大多数光谱学研究并未调整以找到在狭窄范围内的元素。

“我们的太阳含磷相对较高，地球生物需要的磷含量很少，这很显然，”欣克尔接着说，“因此，在含磷较少的恒星周围形成的岩石行星上，磷可能无法在该行星表面上提供潜在生命。因此，我们建议恒星丰度界将磷观测作为未来研究和望远镜设计的重点。”

展望未来，这些发现可能会彻底改变目标恒星的选择方式，以供将来研究之用，并巩固元素在系外行星探测、形成和适居性中发挥的作用。

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